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WO2012144087A1 - 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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WO2012144087A1
WO2012144087A1 PCT/JP2011/064405 JP2011064405W WO2012144087A1 WO 2012144087 A1 WO2012144087 A1 WO 2012144087A1 JP 2011064405 W JP2011064405 W JP 2011064405W WO 2012144087 A1 WO2012144087 A1 WO 2012144087A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
white light
light source
phosphor
λmax2
λmax1
Prior art date
Application number
PCT/JP2011/064405
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌彦 山川
康博 白川
Original Assignee
株式会社東芝
東芝マテリアル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社東芝, 東芝マテリアル株式会社 filed Critical 株式会社東芝
Priority to US14/110,830 priority Critical patent/US9109762B2/en
Priority to EP11863791.7A priority patent/EP2701213B8/en
Priority to JP2013510842A priority patent/JP5770269B2/ja
Priority to EP23177418.3A priority patent/EP4258819A3/en
Priority to EP21160434.3A priority patent/EP3848985B1/en
Priority to CN201180070338.9A priority patent/CN103493226B/zh
Publication of WO2012144087A1 publication Critical patent/WO2012144087A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/20—Light sources comprising attachment means
    • F21K9/23—Retrofit light sources for lighting devices with a single fitting for each light source, e.g. for substitution of incandescent lamps with bayonet or threaded fittings
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8511—Wavelength conversion means characterised by their material, e.g. binder
    • H10H20/8512—Wavelength conversion materials
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2101/00—Point-like light sources
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/10—Light-emitting diodes [LED]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a white light source and a white light source system using the white light source, and more particularly to a white light source having an emission spectrum approximate to an emission spectrum of natural light and a white light source system using the same.
  • White light sources using LEDs are widely used as general lighting equipment such as traffic lights, backlights for liquid crystal display devices, and interior lights.
  • a white light source using a conventional blue LED has an emission spectrum whose peak height of blue light emitted from the blue LED is higher than 1.5 times the peak height of yellow light from the phosphor, and is affected by blue light. There was a strong tendency.
  • the conventional white LED has a strong emission peak of the blue LED.
  • white light with a strong blue peak is significantly different from natural light.
  • natural light means sunlight.
  • Patent Document 2 In consideration of the influence of the white light source on the human body, International Publication WO 2008/069101 (Patent Document 2) mixes four types of light emission peaks by combining LEDs and phosphors having different light emission peaks. Provides white light with little deviation from the spectral luminous efficiency.
  • the spectral luminous efficiency refers to the sensitivity of the human eye to light, and is defined by the CIE (International Commission on Illumination) as the standard spectral relative luminous sensitivity V ( ⁇ ). Therefore, the spectral luminous efficiency and the standard spectral relative luminous sensitivity V ( ⁇ ) have the same meaning.
  • FIG. 1 shows the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) defined by CIE. That is, according to FIG. 1, humans recognize light having a wavelength of about 555 nm with the highest sensitivity.
  • Patent Document 2 aims to control light having a wavelength in the range of 420 to 490 nm in consideration of the influence of blue light on the human body. Such a method is considered to have the effect of normalizing the secretion of melatonin as a kind of hormone involved in regulation by the biological clock at night.
  • humans have a circadian rhythm (circadian rhythm, 24-hour rhythm) that is dominated by the body clock.
  • Human beings are based on living under natural light, but in modern society, lifestyles are diversifying, such as long indoor work and reversal of day and night. Continuing a life without natural light for a long time is disturbed by the circadian rhythm, and there are concerns about adverse effects on the human body.
  • a white light source using a current LED that is, a white light source using a blue LED, has an emission spectrum that is significantly different from that of natural light. If you live for a long time under the irradiation of such a white light source, there is a concern that it may adversely affect human circadian rhythm.
  • the present invention has been made to address such problems, and has an object to provide a white light source having an emission spectrum that approximates the emission spectrum of natural light and a white light source system using the same. is there.
  • the white light source according to the present invention has a light emission spectrum P ( ⁇ ) of a white light source including a blue light emitting LED having an emission peak at 421 to 490 nm and a black body having the same color temperature as the white light source.
  • the emission spectrum of radiation is B ( ⁇ )
  • the spectral luminous efficiency spectrum is V ( ⁇ )
  • the wavelength at which P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ ) is maximum is ⁇ max1
  • B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ ) is the maximum.
  • ⁇ max2 is a relational expression: ⁇ 0.2 ⁇ [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))] ⁇ + 0.2.
  • the relational expression: ⁇ 0.1 ⁇ [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ ) ) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))] ⁇ + 0.1 is more preferable.
  • the color temperature of the white light source is preferably 2500-5400K.
  • the white light source preferably includes an LED and a phosphor.
  • the emission peak wavelength of the phosphor is preferably in the range of 420 to 700 nm.
  • the white light source preferably includes three or more types, preferably four or more types of phosphors having different peak wavelengths. Further, it is more preferable to provide five or more types of phosphors having different peak wavelengths.
  • the interval between adjacent peak wavelengths of each phosphor is preferably 150 nm or less.
  • the phosphor preferably forms a phosphor layer in which the phosphor and the resin are mixed. Moreover, it is preferable that the phosphor layer has a multilayer structure in which a plurality of phosphor elements in which phosphor particles are dispersed in a resin are laminated.
  • another white light source of the present invention includes a plurality of blue light emitting LEDs, and ⁇ 0.2 ⁇ [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))] ⁇ + 0.2 and a plurality of white light sources having different emission spectra are arranged in one housing. It is characterized by.
  • the white light source system of the present invention is characterized by comprising a plurality of white light sources according to the present invention.
  • the white light source according to the present invention can reproduce the same emission spectrum as natural light. For this reason, even if white light from a white light source is exposed for a long time, the adverse effect on the human body can be made to the same level as natural light.
  • 6 is a graph showing a difference A ( ⁇ ) in Example 1. It is a graph which shows the emission spectrum P ((lambda)) of the white light source of Example 2.
  • FIG. It is a graph which shows the emission spectrum B ((lambda)) of the black body radiation of Example 2 (color temperature of 4100K).
  • 10 is a graph showing (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) in Example 2.
  • 6 is a graph showing (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)) in Example 2 (color temperature 4100K).
  • 10 is a graph showing a difference A ( ⁇ ) in Example 2.
  • Example 6 is a graph showing an emission spectrum P ( ⁇ ) of a white light source of Example 3. It is a graph which shows the emission spectrum B ((lambda)) of the black body radiation of Example 3 (color temperature 5400K).
  • 10 is a graph showing (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) in Example 3.
  • 10 is a graph showing (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)) in Example 3 (color temperature 5400K).
  • 10 is a graph showing a difference A ( ⁇ ) in Example 3.
  • 5 is a graph showing a difference A ( ⁇ ) of Comparative Example 1. It is sectional drawing which shows one Example of the white light source (bulb type) of this invention. It is sectional drawing which shows another Example of the white light source (bulb type) which concerns on this invention.
  • the white light source according to the embodiment of the present invention has a P ( ⁇ ) emission spectrum of a white light source having a blue light emitting LED having an emission peak at 421 to 490 nm, and an emission spectrum of black body radiation showing the same color temperature as the white light source.
  • B ( ⁇ ), spectral luminous efficiency spectrum V ( ⁇ ), P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ ) has the maximum wavelength ⁇ max1, and B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ ) has the maximum wavelength.
  • ⁇ represents a wavelength of 380 to 780 nm which is a visible light region.
  • the procedure for constructing a white light source that satisfies the above relational expression is as follows. First, the emission spectrum P ( ⁇ ) of a white light source is measured. The emission spectrum is measured by total luminous flux measurement using an integrating sphere according to JIS-C-8152. The color temperature is obtained by calculation from the emission spectrum. The unit of color temperature is Kelvin (K).
  • an emission spectrum B ( ⁇ ) of black body radiation that is the same as the color temperature of the white light source is obtained.
  • the emission spectrum B ( ⁇ ) is obtained from the Planck distribution.
  • the plank distribution can be obtained by the mathematical formula shown in FIG. In FIG. 2, h is the Planck constant, c is the speed of light, ⁇ is the wavelength, e is the base of the natural logarithm, k is the Boltzmann constant, and T is the color temperature. Since the emission spectrum of blackbody radiation is constant for h, c, e, and k, the emission spectrum corresponding to the wavelength ⁇ can be obtained if the color temperature T is determined.
  • black body radiation is also called black body radiation, and in the present invention, it indicates the emission spectrum of natural light (sunlight). Natural light has different color temperatures, for example, during the daytime, in the morning, and at sunrise. Specifically, the color temperature of natural light during the day is about 5100K, the color temperature of natural light in the morning is about 4200K, and the color temperature of natural light at sunrise is about 2700K. In the morning, 7:00 am is assumed.
  • FIG. 3 shows an emission spectrum P ( ⁇ ) of Example 1 described later.
  • FIG. 5 shows (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) of Example 1.
  • FIG. 6 shows (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)) of Example 1 (color temperature 2700K).
  • the spectral luminous efficiency shown in FIG. 1 was used as V ( ⁇ ) when obtaining FIG. 5 and FIG.
  • FIG. 5 shows a value obtained by multiplying the emission spectrum P ( ⁇ ) and the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) of Example 1 shown in FIG. 3 by the value for each wavelength, (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1). It is the figure which plotted the value divided by)).
  • FIG. 6 is obtained by dividing the value obtained by multiplying the emission spectrum B ( ⁇ ) and the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) of FIG. 4 by the value for each wavelength by (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)). It is the figure which plotted the value.
  • (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) indicates the intensity of the emission spectrum of black body radiation in the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) region, and is the maximum value (B ( ⁇ max2) ⁇ By dividing by V ( ⁇ max2)), a value with 1.0 as the upper limit can be obtained as shown in FIG.
  • the difference A ( ⁇ ) [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2 ) ⁇ V ( ⁇ max2))].
  • the white light source of this example is ⁇ 0.2 ⁇ [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))] ⁇ + 0.2.
  • FIG. 7 shows the difference A ( ⁇ ) of Example 1.
  • the range of the difference A ( ⁇ ) is ⁇ 0.03 ⁇ A ( ⁇ ) ⁇ + 0.11, and it can be seen that natural light during the day is reproduced.
  • the emission spectrum is designed to approximate the emission spectrum of black body radiation, compared to the conventional white LED having a blue light peak protruding, Adverse effects can be greatly suppressed.
  • the emission spectrum may be controlled according to the purpose.
  • this white light source is used as a lighting equipment for a ward, a place where a long-time indoor work must be performed, or a room, adverse effects on the circadian rhythm of patients living there and workers performing work can be suppressed.
  • natural light can be reproduced, it can be applied to agricultural fields such as plant cultivation using natural light.
  • Such a white light source preferably has a light emission color temperature of 2500 to 5400K. If this color temperature is less than 2500K or more than 5400K, the deviation from natural light becomes large, and it may be difficult to adjust the color temperature.
  • a preferable range of the color temperature is 2700-5200K.
  • the white light source having such a difference A ( ⁇ ) preferably includes an LED (light emitting diode) and a phosphor.
  • a blue light emitting LED having a light emission peak wavelength in the range of 421 to 490 nm is preferable. It is preferable that the LED light having an emission peak in the ultraviolet to violet region be converted into visible light by a phosphor.
  • the blue, green, and red LEDs whose LED emission peak wavelength exceeds 490 nm has a large emission peak height, so the difference A ( ⁇ ) is controlled within the range of ⁇ 0.2 ⁇ A ( ⁇ ) ⁇ + 0.2. It is hard to do. Further, as long as the light emission source has an emission peak wavelength of 421 to 490 nm, a semiconductor laser or the like may be used instead of the LED.
  • the phosphor has an emission peak wavelength in the range of 420 to 700 nm when excited with a light source of 421 to 490 nm. Moreover, it is preferable to use 3 or more types of fluorescent substance from which a peak wavelength differs, and also 5 or more types of fluorescent substance.
  • the peak wavelength of each phosphor is preferably 150 nm or less, more preferably 10 to 100 nm, and more preferably 10 to 50 nm. In other words, by combining three or more phosphors and further five or more phosphors from the blue region to the red region and shifting the peak wavelength every 10 to 100 nm, ⁇ 0.2 ⁇ difference A ( ⁇ ) ⁇ + 0 .2 can be realized.
  • the material of the phosphor is not particularly limited as long as the emission peak is 420 to 700 nm, but the following phosphor is preferable as the phosphor excited at 421 to 490 nm.
  • the half width of the peak wavelength of the emission spectrum of the phosphor is preferably 40 nm or more, and more preferably 50 to 100 nm.
  • blue phosphor examples include europium activated alkaline earth phosphate phosphor (peak wavelength 440 to 455 nm), europium activated barium magnesium aluminate phosphor (peak wavelength 450 to 460 nm) and the like. It is done.
  • blue-green phosphors include europium activated strontium aluminate phosphors (peak wavelength: 480 to 500 nm) and europium and manganese activated barium magnesium aluminate phosphors (peak wavelength: 510 to 520 nm).
  • green phosphor examples include europium activated orthosilicate phosphor (peak wavelength 520 to 550 nm), europium activated ⁇ sialon phosphor (peak wavelength 535 to 545 nm), europium activated strontium sialon phosphor ( Peak wavelength 510 to 530 nm).
  • yellow phosphor examples include europium activated orthosilicate phosphor (peak wavelength 550 to 580 nm) and cerium activated rare earth aluminum garnet phosphor (peak wavelength 550 to 580 nm).
  • red phosphor examples include europium activated strontium sialon phosphor (peak wavelength 600 to 630 nm), europium activated calcium strontium oxynitride phosphor (peak wavelength 610 to 650 nm), europium activated acid. Examples thereof include lanthanum sulfide phosphors (peak wavelength: 620 to 630 nm) and manganese activated magnesium fluorogermanate (peak wavelength: 640 to 660 nm).
  • the difference A ( ⁇ ) it is preferable to use three or more, more preferably five or more of the blue phosphor, blue-green phosphor, green phosphor, yellow phosphor and red phosphor. .
  • the color temperature can be controlled by changing the mixing ratio of the respective phosphors.
  • the average particle size of each phosphor is preferably 5 to 40 ⁇ m. If the average particle size is less than 5 ⁇ m, the particle size is too small to be produced, which increases the cost. On the other hand, when the average particle size is larger than 40 ⁇ m, it is difficult to uniformly mix the phosphors.
  • FIG. 19 shows a bulb-type white light source as an embodiment of the white light source of the present invention.
  • 1 is an LED bulb (white light source)
  • 2 is an LED module
  • 3 is a base part
  • 4 is a globe
  • 5 is an insulating member
  • 6 is a base
  • 7 is a substrate
  • 8 is an LED chip
  • 9 is a phosphor layer
  • Reference numeral 10 denotes a transparent resin layer.
  • the LED bulb 1 shown in FIG. 19 includes an LED module 2, a base part 3 on which the LED module 2 is installed, a globe 4 as a housing attached on the base part 3 so as to cover the LED module 2, A base 6 attached to the lower end portion of the base portion 3 via an insulating member 5 and a lighting circuit 11 provided in the base portion 3 are provided.
  • the LED module 2 includes an ultraviolet or purple LED chip 8 mounted on a substrate 7.
  • a plurality of LED chips 8 are surface-mounted on the substrate 7.
  • a light emitting diode of InGaN, GaN, AlGaN or the like is used for the LED chip 8 emitting ultraviolet to purple light.
  • a wiring network (not shown) is provided on the surface of the substrate 7 (and further inside if necessary), and the electrodes of the LED chip 8 are electrically connected to the wiring network of the substrate 7.
  • a wiring 12 is drawn out on the side surface or the bottom surface of the LED module 2, and the wiring 12 is electrically connected to the lighting circuit 11 provided in the base portion 3.
  • the LED chip 8 is lit by a DC voltage applied via the lighting circuit 11.
  • a phosphor layer 9 that emits white light by absorbing ultraviolet or violet light emitted from the LED chip 8 is provided.
  • the phosphor layer 9 is formed by combining three or more, further five or more phosphors having different peak wavelengths. Moreover, you may mix with resin and form the fluorescent substance layer 9 as needed. Further, various phosphors may be mixed to form a mixed phosphor layer, or a multilayer phosphor layer in which about 1 to 3 types of phosphor layers are mixed.
  • the phosphor layer 9 is provided on the inner surface of the globe 4.
  • the phosphor layer 9 may be mixed with the outer surface of the globe 4 or the globe 4 itself, or the transparent resin layer 10 may be fluorescent. Body particles may be mixed.
  • the light bulb type white light source is illustrated in FIG. 19, the present invention is not limited to this and can be applied to a one-chip type white light source.
  • the white light source according to the present invention is not limited to the above-mentioned bulb type, but can be applied to a fluorescent lamp type (long and thin type), a chandelier type, and the shape is not limited.
  • a white light source that reproduces natural light can be provided. Further, a white light source system that reproduces the rhythm of natural light of the day can be obtained by combining white light sources that reproduce natural light such as daytime, sunrise, morning, and evening. Thereby, the white light source and white light source system which suppressed the bad influence to the circadian rhythm of a human body can be provided.
  • Example 1 A blue light emitting LED having an emission peak wavelength of 450 nm was prepared as an LED chip. Next, as a phosphor that emits light when irradiated with an electromagnetic wave of 450 nm, a europium-activated strontium aluminate blue-green phosphor having a peak wavelength of 490 nm and a europium-activated orthosilicate green fluorescence having a peak wavelength of 530 nm A europium activated orthosilicate yellow phosphor having a peak wavelength of 555 nm, a europium activated orthosilicate yellow phosphor having a peak wavelength of 555 nm, and a europium activated strontium sialon red phosphor having a peak wavelength of 630 nm A mixture with was prepared.
  • the average particle diameter of each phosphor was 15 ⁇ m.
  • the bulb-type white light source shown in FIG. 19 was produced by applying to the inner surface of the globe.
  • the obtained white light source had a correlated color temperature of emission color of 2700K. This color temperature 2700K is a color temperature equivalent to the natural light of Asahi.
  • FIG. 3 shows the result of measuring the emission spectrum of the bulb-type white light source of Example 1 by measuring the total luminous flux using an integrating sphere according to JIS-C-8152. Further, (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) of Example 1 was obtained using the spectral luminous distribution V ( ⁇ ) of FIG. FIG. Note that ⁇ max1 in Example 1 is 574 nm.
  • FIG. 4 shows the emission spectrum of black body radiation having a color temperature of 2700 K obtained by the Planck distribution (the formula of FIG. 2).
  • FIG. 6 shows the result of obtaining (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)), where the emission spectrum of FIG. 4 is B ( ⁇ ). Note that ⁇ max2 is 572 nm.
  • Difference A ( ⁇ ) [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))].
  • the result is shown in FIG.
  • the difference A ( ⁇ ) from the natural light emission spectrum during the day is ⁇ 0.2 to +0.2 in the visible light region of 380 to 780 nm.
  • the difference A ( ⁇ ) was ⁇ 0.03 to +0.11.
  • Example 2 A blue light emitting LED having an emission peak wavelength of 445 nm was prepared as an LED chip.
  • phosphors that emit light when irradiated with electromagnetic waves of 445 nm europium-activated strontium aluminate blue-green phosphors having a peak wavelength of 490 nm and europium-activated orthosilicate green fluorescence having a peak wavelength of 530 nm
  • europium activated orthosilicate yellow phosphor with a peak wavelength of 530 nm europium activated strontium sialon red fluorescence with a peak wavelength of 630 nm
  • a mixture with the body was prepared.
  • the average particle size of each phosphor was 15 ⁇ m.
  • the bulb-type white light source 1 shown in FIG. The obtained white light source 1 had a correlated color temperature of emission color of 4100K. This color temperature of 4100 K is a color temperature equivalent to that of natural light in the morning.
  • Example 2 The emission spectrum of the white light source of Example 2 was investigated by measuring the total luminous flux using an integrating sphere as in Example 1. The result is shown in FIG. Further, FIG. 1 is obtained by calculating (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) of Example 2 using the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) of FIG. 10. Note that ⁇ max1 in Example 2 is 559 nm.
  • FIG. 9 shows the emission spectrum of black body radiation having a color temperature of 4100 K obtained by the Planck distribution (the formula of FIG. 2).
  • FIG. 11 shows the result of obtaining (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)), where the emission spectrum of FIG. 9 is B ( ⁇ ). Note that ⁇ max2 is 560 nm.
  • the difference A ( ⁇ ) of Example 2 is expressed as [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))].
  • the result is shown in FIG.
  • the white light source according to Example 2 has a difference A ( ⁇ ) from the morning light emission spectrum in the range of ⁇ 0.2 to +0.2 in the visible light region of 380 to 780 nm. Specifically, the difference A ( ⁇ ) was ⁇ 0.04 to +0.07.
  • Example 3 A blue light emitting LED having an emission peak wavelength of 450 nm was prepared as an LED chip.
  • Phosphors that emit light when irradiated with electromagnetic waves of 450 nm are europium-activated strontium aluminate blue-green phosphors having a peak wavelength of 490 nm, europium-activated orthosilicate green phosphors having a peak wavelength of 530 nm, It comprised from the mixture of the europium activation orthosilicate yellow fluorescent substance whose peak wavelength is 555 nm, and the europium activation strontium sialon red fluorescent substance whose peak wavelength is 630 nm.
  • the average particle size of each phosphor was 15 ⁇ m.
  • the light bulb type white light source 1 shown in FIG. 19 was produced.
  • the color temperature of the emission color of the obtained white light source 1 was a correlated color temperature of 5400K.
  • the color temperature of this white light source is the same as that of natural light during the day.
  • Example 2 the emission spectrum P ( ⁇ ) of the white light source according to Example 3 was investigated by measuring the total luminous flux using an integrating sphere. The result is shown in FIG. Further, (P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) of Example 3 was obtained using the spectral luminous efficiency V ( ⁇ ) of FIG. FIG. Note that ⁇ max1 in Example 3 is 550 nm.
  • FIG. 14 shows the emission spectrum of black body radiation having a color temperature of 5400 K obtained by the Planck distribution (the formula of FIG. 2).
  • FIG. 16 shows the result of calculating (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2)), where the emission spectrum of FIG. 14 is B ( ⁇ ). Note that ⁇ max2 is 555 nm.
  • the difference A ( ⁇ ) in Example 3 is expressed as [(P ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (P ( ⁇ max1) ⁇ V ( ⁇ max1)) ⁇ (B ( ⁇ ) ⁇ V ( ⁇ )) / (B ( ⁇ max2) ⁇ V ( ⁇ max2))].
  • the result is shown in FIG.
  • the white light source according to Example 3 has a difference A ( ⁇ ) from the daytime natural light emission spectrum of ⁇ 0.2 to +0.2 in the visible light region of 380 to 780 nm. Specifically, the difference A ( ⁇ ) was ⁇ 0.06 to +0.06.
  • Comparative Example 1 A white light source according to Comparative Example 1 was produced by combining a blue light emitting diode having an emission peak wavelength of 460 nm and a cerium-activated yttrium aluminum garnet yellow phosphor.
  • the color temperature of the white light source of Comparative Example 1 was 5100 K, and the difference A ( ⁇ ) was ⁇ 0.28 to +0.04 as shown in FIG.
  • the secretion amount (average value of 10 persons) of each Example was shown. The results are shown in Table 1 below.
  • the melatonin secretion amount of the subject increased as compared with the case where the conventional white light source of Comparative Example 1 was used.
  • Melatonin is a kind of hormone secreted from the pineal gland of the brain, and it is generally said that melatonin secretion is low during the day and high at night. This is thought to be due to living under natural light during the day. Therefore, melatonin is considered as a hormone necessary for obtaining a peaceful sleep. In the United States and the like, it is also widely used as a supplement for preventing oxidation in the body.
  • using the white light source of this example can provide the same effect as natural light, and sleep disorders and circadian rhythms.
  • the effect which suppresses going crazy can be expected.
  • sunrise natural light (Example 1)
  • morning natural light (Example 2)
  • daytime natural light (Example 3)
  • the LED chip 8a and the phosphor layer 9a for emitting natural light during the day, the LED chip 8b and the phosphor layer 9b for emitting natural light at sunrise, and the morning natural light LED chip 8c for emitting light and phosphor layer 9c are arranged on a common substrate 7, and these LED chips 8a, 8b, 8c are accommodated in the same common globe 4 to constitute a white light source system 1a. It is also possible to do. Further, a transparent resin layer 9 may be provided between the LED chip 8 and the phosphor layer 10.
  • Each LED chip 8a, 8b, 8c is connected to the lighting circuit 11a by the wiring 12a.
  • the user can select an LED chip to be appropriately turned on by a switching mechanism (not shown) built in the lighting circuit 11a as required.
  • the white light source system 1a having the above configuration, it is possible to selectively receive daytime natural light, sunrise natural light, and morning natural light from the single white light source system 1a in accordance with the user's request and illumination cycle. It becomes possible. That is, a white light source system that reproduces the natural light rhythm of the day can be obtained by combining white light sources that reproduce natural light such as daytime, sunrise, morning, and evening.
  • the white light source and the white light source system according to the present invention can reproduce the same emission spectrum as that of natural light. Therefore, even if the white light from the white light source is exposed for a long time, the adverse effect on the human body can be made to the same level as natural light.
  • LED bulb (white light source) 1a White light source system 2, 2a LED module 3 Base part 4 Globe (housing) 5 Insulating member 6 Base 7 Substrate 8, 8a, 8b, 8c LED chip 9, 9a, 9b, 9c Phosphor layer 10 Transparent resin layer 11, 11a Lighting circuit 12, 12a Wiring

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Abstract

　発光ピークが４２１～４９０ｎｍにある青色発光ＬＥＤを具備した白色光源の発光スペクトルをＰ（λ）、白色光源と同じ色温度を示す黒体輻射の発光スペクトルをＢ（λ）、分光視感効率のスペクトルをＶ（λ）、Ｐ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ１、Ｂ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ２としたとき、関係式：－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２、を満たすことを特徴とする白色光源である。上記構成によれば、自然光と同等の発光スペクトルを有する白色光源およびそれを用いた白色光源システムを提供できる。

Description

白色光源およびそれを用いた白色光源システム
　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、特に自然光の発光スペクトルに近似した発光スペクトルを有す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を使用した白色光源は、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。
　一方、ＬＥＤを使用した白色光源の普及に伴って、白色光源の人体への悪影響が懸念され始めている。前述のように従来の白色ＬＥＤは青色ＬＥＤの発光ピークが強い。このような青色ピークの強い白色光は自然光とは大きく異なる光である。ここで自然光とは、太陽光を意味する。
　このような白色光源の人体への影響を考慮して、国際公開ＷＯ２００８／０６９１０１号パンフレット（特許文献２）では、発光ピークの異なるＬＥＤと蛍光体とを組合せて４種類の発光ピークを混合することにより分光視感効率とのずれが少ない白色光を提供している。
　ここで分光視感効率とは、人間の目の光に対する感度を視感度と呼び、ＣＩＥ（国際照明委員会）は標準分光比視感度Ｖ（λ）として定めたものである。従って、分光視感効率と標準分光比視感度Ｖ（λ）とは同じ意味である。図１にＣＩＥが定めた分光視感効率Ｖ（λ）を示す。すなわち、図１によれば、人間は波長が約５５５ｎｍの光を最も高い感度で認識することを表している。
　一方、特許文献２では、青色光の人体への影響を考慮して、波長が４２０～４９０ｎｍの範囲の光を制御することを目的としている。このような方法により、夜間において生物時計による調節に関わるホルモンの一種としてのメラトニンの分泌を正常化する効果があると考えられる。
　一方、人間は、体内時計で支配されるサーカディアンリズム（circadian rhythm:概日リズム、２４時間リズム）を有している。人間は、自然光の下で生活することを基本としているが、現代社会では、長時間の室内労働や昼夜逆転生活など生活スタイルが多様化している。自然光を浴びない生活を長期間続けていると、サーカディアンリズムに乱れが生じ人体への悪影響が懸念されている。
特開平１０－２４２５１３号公報 国際公開ＷＯ２００８／０６９１０１号パンフレット
　現在のＬＥＤを使用した白色光源、すなわち青色ＬＥＤを使用した白色光源は、自然光とは大きく異なる発光スペクトルを有している。このような白色光源の照射下で長時間生活していると人間のサーカディアンリズムに悪影響を与えることが懸念される。
　本発明は、このような問題に対処するためになされたものであり、自然光の発光スペクトルに近似した発光スペクトルを有する白色光源およびそれを用いた白色光源システムを提供することを目的としたものである。
　上記目的を達成するために本発明に係る白色光源は、発光ピークが４２１～４９０ｎｍにある青色発光ＬＥＤを具備した白色光源の発光スペクトルをＰ（λ）、白色光源と同じ色温度を示す黒体輻射の発光スペクトルをＢ（λ）、分光視感効率のスペクトルをＶ（λ）、Ｐ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ１、Ｂ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ２としたとき、関係式：－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２、を満たすことを特徴とするものである。
　また、上記白色光源において、関係式：－０．１≦［（Ｐ（λ）×V（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×V（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×V（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×V（λｍａｘ２））］≦＋０．１、を満たすことがより好ましい。また、白色光源の色温度は２５００～５４００Ｋであることが好ましい。
　また、上記白色光源がＬＥＤと蛍光体とを具備することが好ましい。また、蛍光体の発光ピーク波長が４２０～７００ｎｍの範囲にあることが好ましい。また、上記白色光源が、ピーク波長が異なる３種類以上、好ましくは４種類以上の蛍光体を具備することが好ましい。また、ピーク波長が異なる５種類以上の蛍光体を具備することが、さらに好ましい。
　さらに、各蛍光体の隣接するピーク波長の間隔が１５０ｎｍ以下であることが好ましい。
　また、上記蛍光体は、蛍光体と樹脂とを混合した蛍光体層を形成していることが好ましい。また、蛍光体層が、樹脂中に蛍光体粒子を分散した蛍光体要素を複数積層した多層構造を具備していることが好ましい。
　さらに、本発明の他の白色光源は、複数の青色発光ＬＥＤを具備し、－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２を満たし、かつ異なる発光スペクトルを有する複数の白色光源を一つのハウジング内に配置したことを特徴とする。
　また、本発明の白色光源システムは、上記本発明に係る白色光源を複数個用いて構成し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、自然光と同じ発光スペクトルを再現できる。そのため、白色光源からの白色光を長時間浴びても人体への悪影響を自然光と同等のレベルにすることができる。
分光視感効率Ｖ（λ）を示すグラフである。 黒体輻射の発光スペクトルＢ（λ）を求める数式である。 実施例１の白色光源の発光スペクトルＰ（λ）を示すグラフである。 実施例１（色温度２７００Ｋ）の黒体輻射の発光スペクトルＢ（λ）を示すグラフである。 実施例１の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を示すグラフである。 実施例１（色温度２７００Ｋ）の（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を示すグラフである。 実施例１の差異Ａ（λ）を示すグラフである。 実施例２の白色光源の発光スペクトルＰ（λ）を示すグラフである。 実施例２（色温度４１００Ｋ）の黒体輻射の発光スペクトルＢ（λ）を示すグラフである。 実施例２の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を示すグラフである。 実施例２（色温度４１００Ｋ）の（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を示すグラフである。 実施例２の差異Ａ（λ）を示すグラフである。 実施例３の白色光源の発光スペクトルＰ（λ）を示すグラフである。 実施例３（色温度５４００Ｋ）の黒体輻射の発光スペクトルＢ（λ）を示すグラフである。 実施例３の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を示すグラフである。 実施例３（色温度５４００Ｋ）の（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を示すグラフである。 実施例３の差異Ａ（λ）を示すグラフである。 比較例１の差異Ａ（λ）を示すグラフである。 本発明の白色光源（電球型）の一実施例を示す断面図である。 本発明に係る白色光源（電球型）の他の一実施例を示す断面図である。
　本発明の実施形態に係る白色光源は、発光ピークが４２１～４９０ｎｍにある青色発光ＬＥＤを具備した白色光源の発光スペクトルをＰ（λ）、白色光源と同じ色温度を示す黒体輻射の発光スペクトルをＢ（λ）、分光視感効率のスペクトルをＶ（λ）、Ｐ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ１、Ｂ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ２としたとき、－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２の関係式を満たすことを特徴とするものである。ここでλは可視光領域である３８０～７８０ｎｍの波長を示す。
　上記関係式を満たす白色光源を構成する手順は以下の通りである。まず、白色光源の発光スペクトルＰ（λ）を測定する。発光スペクトルの測定はＪＩＳ－Ｃ－８１５２に準じて積分球を使用した全光束測定で実施するものとする。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。
　次に、白色光源の色温度と同じ黒体輻射の発光スペクトルＢ（λ）を求める。発光スペクトルＢ（λ）はプランク分布により求める。プランク分布は図２に示す数式により求めることができる。図２中、ｈはプランク定数、ｃは光速、λは波長、ｅは自然対数の底、ｋはボルツマン定数、Ｔは色温度である。黒体輻射の発光スペクトルは、ｈ、ｃ、ｅ、ｋが定数であるため色温度Ｔが決まれば、波長λに応じた発光スペクトルを求めることができる。
　また、黒体輻射は黒体放射とも呼ばれ、本発明では自然光（太陽光）の発光スペクトルを示すものである。自然光は、例えば、日中、朝方、日の出の時にはそれぞれ色温度が異なっている。具体的には、日中の自然光の色温度は５１００Ｋ程度であり、朝方の自然光の色温度は約４２００Ｋであり、日の出の自然光の色温度は約２７００Ｋである。なお、朝方とは午前７：００時を想定したものである。
　図３に後述する実施例１の発光スペクトルＰ（λ）を示した。一方、図５に、実施例１の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を示した。また、図６に実施例１（色温度２７００Ｋ）の（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を示した。
　図５および図６を求める際のＶ（λ）は図１に示した分光視感効率を用いた。
　図５は、図３に示した実施例１の発光スペクトルＰ（λ）と分光視感効率Ｖ（λ）を各波長毎の値を掛け合わせた値を、（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））で割った値をプロットした図である。図５において、（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））が最大値となる波長は、λｍａｘ１＝５５６ｎｍである。
　また、図６は、図４の発光スペクトルＢ（λ）と分光視感効率Ｖ（λ）を各波長毎の値を掛け合わせた値を、（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））で割った値をプロットした図である。図６において、（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））が最大となるのは、λｍａｘ２＝５５６ｎｍである。
　（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））は、分光視感効率Ｖ（λ）領域における白色光源の発光スペクトルの強さを示すものである。最大値である（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））で割ることにより、図５に示したように１．０を上限とした値とすることができる。
　また、（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））は、分光視感効率Ｖ（λ）領域における黒体輻射の発光スペクトルの強さを示すものであり、最大値である（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））で割ることにより図６に示したように１．０を上限とした値とすることができる。
　次に、差異Ａ（λ）＝［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］を求める。本実施例の白色光源は、－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２である。この差異Ａ（λ）が－０．２≦Ａ（λ）≦＋０．２であるということは、分光視感効率Ｖ（λ）領域における白色光源の発光スペクトルが黒体輻射の発光スペクトル、つまりは自然光の発光スペクトルに近似していることを示している。つまり、差異Ａ（λ）＝０であれば、自然光と同じ発光スペクトルを再現できるという意味である。
　図７に実施例１の差異Ａ（λ）を示した。図７から明らかな通り、実施例１は差異Ａ（λ）の範囲が－０．０３≦Ａ（λ）≦＋０．１１であり、日中の自然光を再現していることが分かる。
　このように本実施例によれば、発光スペクトルを黒体輻射の発光スペクトルに近似するよう設計されているので、従来のような青色光のピークが突出した白色ＬＥＤと比べて人間のサーカディアンリズムに対する悪影響を大幅に抑制することができる。
　また、後述する実施例のように日の出の自然光や朝方の自然光を再現することもできるので、その目的に合わせて発光スペクトルを制御すればよい。また、日中の自然光、日の出の自然光、朝方の自然光を再現した白色光源を組合せて、一日の太陽光と同じ自然光を再現することも可能である。例えば、病棟や長時間の室内業務を行わなければならない場所や部屋の照明設備として、この白色光源を用いれば、そこで生活する患者や作業を行う労働者のサーカディアンリズムへの悪影響を抑制できる。また、自然光を再現できるので、自然光を利用した植物栽培などの農業分野などへの応用も可能である。
　このような白色光源は、発光の色温度が２５００～５４００Ｋであることが好ましい。この色温度が２５００Ｋ未満および５４００Ｋを超えると、自然光との乖離が大きくなり色温度の調整が困難となってしまうおそれがある。色温度の好ましい範囲は２７００～５２００Ｋである。
　このような差異Ａ（λ）を有する白色光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）と蛍光体を具備することが好ましい。ＬＥＤの発光ピーク波長は４２１～４９０ｎｍの範囲にある青色発光ＬＥＤが好ましい。紫外線～紫色領域に発光ピークがあるＬＥＤ光を蛍光体により可視光に変換する方式であることが好ましい。ＬＥＤの発光ピーク波長が４９０ｎｍ超の青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤは、その発光ピーク高さが大きいため差異Ａ（λ）を－０．２≦Ａ（λ）≦＋０．２の範囲に制御し難い。また、発光ピーク波長が４２１～４９０ｎｍの発光源であれば、ＬＥＤに限らず半導体レーザなどを用いてもよい。
　また、蛍光体は、４２１～４９０ｎｍの発光源で励起させたとき、蛍光体の発光ピーク波長が４２０～７００ｎｍの範囲にあることが好ましい。また、蛍光体は、ピーク波長の異なる３種類以上、さらには５種類以上の蛍光体を用いることが好ましい。また、各蛍光体のピーク波長は、１５０ｎｍ以下、さらには１０～１００ｎｍ、さらには１０～５０ｎｍずれていることが好ましい。つまり、青色領域～赤色領域にかけて、３種以上、さらには５種以上の蛍光体を使ってピーク波長を１０～１００ｎｍ毎ずらして組合せることにより、－０．２≦差異Ａ（λ）≦＋０．２を実現することができる。
　蛍光体の材質は、発光ピークが４２０～７００ｎｍにあれば特に限定されるものではないが、４２１～４９０ｎｍで励起される蛍光体として次の蛍光体が好ましい。また、蛍光体の発光スペクトルのピーク波長の半値幅は４０ｎｍ以上、さらには５０～１００ｎｍと広いものが好ましい。
　青色蛍光体（Ｂ）の例としては、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。
　緑色蛍光体（Ｇ）の例としては、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６００～６３０ｎｍ）、ユーロピウム付活カルシウムストロンチウム酸窒化物蛍光体（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）や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）などが挙げられる。
　前記差異Ａ（λ）を制御するためには、上記青色蛍光体、青緑色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体および赤色蛍光体の中から３種以上、さらには５種以上用いることが好ましい。また、色温度の制御は、それぞれの蛍光体の混合割合を変えることにより制御できる。
　また、各蛍光体の平均粒径は５～４０μｍが好ましい。平均粒径が５μｍ未満では粒径が小さすぎて製造することが困難でありコストアップの要因となる。一方、平均粒径が４０μｍを超えて大きいと、各蛍光体を均一に混合するのが困難となる。
　次に白色光源の構造について説明する。図１９に本発明の白色光源の一実施形態としての電球型白色光源を示した。図中、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。
　すなわち、図１９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ハウジングとしてのグローブ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上に実装された紫外乃至紫色発光の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。紫外乃至紫色発光の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。
　ハウジングとしてのグローブ４の内面には、ＬＥＤチップ８から出射された紫外乃至紫色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、３種以上、さらには５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、必要に応じて、樹脂と混合して蛍光体層９を形成してもよい。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１９ではグローブ４の内面に蛍光体層９を設けた構造としたが、グローブ４の外面やグローブ４自体に蛍光体を混合する構造であってもよいし、透明樹脂層１０に蛍光体粒子を混合してもよい。また、図１９では電球型白色光源を例示したが、本発明はこれに限らず、ワンチップ型の白色光源にも適用できる。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。
　以上のように、差異Ａ（λ）を－０．２≦Ａ（λ）≦＋０．２に制御することにより、自然光を再現した白色光源を提供することができる。また、日中、日の出、朝方、夕方などの各自然光を再現した白色光源をそれぞれ組合せて一日の自然光のリズムを再現した白色光源システムとすることもできる。これにより、人体のサーカディアンリズムへの悪影響を抑制した白色光源および白色光源システムを提供することができる。
（実施例）
（実施例１）
　ＬＥＤチップとして発光ピーク波長４５０ｎｍの青色発光ＬＥＤを用意した。次に、４５０ｎｍ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、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１５μｍとした。各蛍光体の混合比は重量比（質量比）として青緑色蛍光体：緑色蛍光体：黄色蛍光体：赤色蛍光体＝２０：２５：１５：４０の比率で混合し、透明樹脂と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図１９に示した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。この色温度２７００Ｋは朝日の自然光と同等の色温度である。
  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。また、図１の分光視感分布V（λ）を使用して、実施例１の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を求めたものが図５である。なお、実施例１のλｍａｘ１は５７４ｎｍである。
　次に、色温度２７００Ｋの黒体輻射の発光スペクトルをプランク分布（図２の式）により求めたものが図４である。図４の発光スペクトルをＢ（λ）として、（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を求めたものが図６である。なお、λｍａｘ２は５７２ｎｍである。
　実施例１の差異Ａ（λ）＝［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］により求めた。その結果を図７に示す。図７から明らかなように、実施例１に係る白色光源では、日中の自然光の発光スペクトルとの差異Ａ（λ）が可視光領域である３８０～７８０ｎｍにおいて－０．２～＋０．２の範囲であり、具体的に差異Ａ（λ）は－０．０３～＋０．１１であった。
（実施例２）
　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。
　なお、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、青緑色蛍光体：緑色蛍光体：黄色蛍光体：赤色蛍光体＝３０：３０：２０：２０の比率で混合し、 透明樹脂と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図１９に示す電球型白色光源１を作製した。得られた白色光源１は、発光色の相関色温度が４1００Ｋであった。この色温度４1００Ｋは朝方の自然光と同等の色温度である。
　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の白色光源の発光スペクトルを調査した。その結果を図８に示す。また、図１の分光視感効率V（λ）を使って、実施例２の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を求めたものが図１０である。なお、実施例２のλｍａｘ１は５５９ｎｍである。
　次に、色温度４１００Ｋの黒体輻射の発光スペクトルをプランク分布（図２の式）により求めたものが図９である。図９の発光スペクトルをＢ（λ）として、（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を求めたものが図１１である。なお、λｍａｘ２は５６０ｎｍである。
　実施例２の差異Ａ（λ）を［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］により求めた。その結果を図１２に示す。図１２から明らかなように、実施例２に係る白色光源は、朝方の自然光の発光スペクトルとの差異Ａ（λ）が可視光領域である３８０～７８０ｎｍにおいて－０．２～＋０．２の範囲であり、具体的に差異Ａ（λ）は－０．０４～＋０．０７であった。
（実施例３）
　ＬＥＤチップとして発光ピーク波長が４５０ｎｍの青色発光ＬＥＤを用意した。４５０ｎｍの電磁波を照射することにより発光する蛍光体は、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から構成した。
　なお、各蛍光体の平均粒径は１５μｍとした。蛍光体の混合比は重量比として青緑色蛍光体：緑色蛍光体：黄色蛍光体：赤色蛍光体＝４０：３０：１０：２０の比率で混合し、透明樹脂と混合して、グローブ内面に塗布することにより、図１９に示す電球型白色光源１を作製した。得られた白色光源１の発光色の色温度は相関色温度５４００Ｋであった。この白色光源の色温度は日中の自然光と同等の色温度である。
　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Ｐ（λ）を調査した。その結果を図１３に示す。また、図１の分光視感効率V（λ）を使用して、実施例３の（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））を求めたものが図１６である。なお、実施例３のλｍａｘ１は５５０ｎｍである。
　次に、色温度５４００Ｋの黒体輻射の発光スペクトルをプランク分布（図２の式）により求めたものが図１４である。図１４の発光スペクトルをＢ（λ）として、（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））を求めたものが図１６である。なお、λｍａｘ２は５５５ｎｍである。
　実施例３の差異Ａ（λ）を［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］により求めた。その結果を図１７に示す。図１７から明らかなように、実施例３に係る白色光源は、日中の自然光の発光スペクトルとの差異Ａ（λ）が、可視光領域である３８０～７８０ｎｍにおいて－０．２～＋０．２の範囲であり、具体的に差異Ａ（λ）は－０．０６～＋０．０６であった。
（比較例１）
　発光ピーク波長４６０ｎｍの青色発光ダイオードと、セリウム付活イットリウムアルミニウムガーネット黄色蛍光体とを組み合わせて、比較例１に係る白色光源を作製した。比較例１の白色光源の色温度は５１００Ｋであり、差異Ａ（λ）は図１８に示した通り－０．２８～＋０．０４であった。
　各実施例と比較例１との白色光源を同照度下で被験者（各１０人）が日中９：００から１７：００まで過ごし、その夜（２１：００）にメラトニンの分泌量の測定を行った。なお、メラトニンの分泌量の分析は唾液検査で実施した。また、比較例１におけるメラトニン分泌量を１００としたときの各実施例の分泌量（１０人の平均値）を示した。その結果を下記表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　上記表１に示す結果から明らかなように、各実施例に係る白色光源においては、従来の比較例１の白色光源を使用した場合と比較して、被験者のメラトニンの分泌量が多くなった。メラトニンは脳の松果体から分泌されるホルモンの一種であり、一般的に昼間はメラトニンの分泌量は低く、夜間は高くなるといわれている。これは日中においては自然光の下で暮らしているためと考えられている。そのため、メラトニンは安らかな睡眠を得るために必要なホルモンと考えられている。また、米国等では体内の酸化を防止するサプリメントとしても広く使用されている。
　従って、自然光を浴びることが困難な環境（病棟や長時間の室内活動など）では本実施例の白色光源を使用することにより、自然光を浴びるのと同等の効果が得られ、睡眠障害やサーカディアンリズムが狂うことを抑制する効果が期待できる。
　また、各実施例においては、日の出の自然光（実施例１）、朝方の自然光（実施例２）および日中の自然光（実施例３）を別々に作製したが、適宜、それらの複数個を組み合わせて白色光源システムを構成することにより、一日の自然光と同等の光を再現することもできる。
　具体的には、図２０に示すように、日中の自然光を発するためのＬＥＤチップ８ａおよび蛍光体層９ａと、日の出の自然光を発するためのＬＥＤチップ８ｂおよび蛍光体層９ｂと、朝方の自然光を発するための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９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。使用者は要望に応じて点灯回路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。
　上記構成を有する白色光源システム１ａによれば、使用者の要望や照明周期に応じて日中の自然光、日の出の自然光および朝方の自然光を１基の白色光源システム１ａから選択的に享受することが可能になる。すなわち、日中、日の出、朝方、夕方などの各自然光を再現した白色光源をそれぞれ組合せて一日の自然光のリズムを再現した白色光源システムとすることもできる。
　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、自然光と同じ発光スペクトルを再現できる。そのため、この白色光源からの白色光を長時間浴びても人体への悪影響を自然光と同等のレベルにすることができる。
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(ハウジング)
５　絶縁部材
６　口金
７　基板
８，８ａ，８ｂ，８ｃ　ＬＥＤチップ
９，９ａ，９ｂ，９ｃ　蛍光体層
１０　透明樹脂層
１１，１１ａ　点灯回路
１２，１２ａ　配線

Claims (12)

  1. 発光ピークが４２１～４９０ｎｍにある青色発光ＬＥＤを具備した白色光源の発光スペクトルをＰ（λ）、白色光源と同じ色温度を示す黒体輻射の発光スペクトルをＢ（λ）、分光視感効率のスペクトルをＶ（λ）、Ｐ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ１、Ｂ（λ）×Ｖ（λ）が最大となる波長をλｍａｘ２としたとき、関係式：
    　－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２、
    を満たすことを特徴とする白色光源。
  2. 関係式：－０．１≦［（Ｐ（λ）×V（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×V（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×V（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×V（λｍａｘ２））］≦＋０．１、
    を満たすことを特徴とする請求項１記載の白色光源。
  3. 前記白色光源の色温度が２５００～５４００Ｋであ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ＬＥＤと蛍光体とを具備す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. 前記蛍光体の発光ピークが４２０～７００ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項４記載の白色光源。
  6. 前記白色光源が、ピーク波長が異なる３種類以上の蛍光体を具備することを特徴とする請求項４ないし請求項５のいずれか１項に記載の白色光源。
  7. 前記白色光源が、ピーク波長が異なる５種類以上の蛍光体を具備することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の白色光源。
  8. 各蛍光体の隣接するピーク波長の間隔が１５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか１種であることを特徴とする白色光源。
  9. 蛍光体は、蛍光体粒子と樹脂とを混合した蛍光体層を形成していることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載の白色光源。
  10. 前記蛍光体層が、樹脂中に蛍光体粒子を分散した蛍光体要素を複数積層した多層構造を具備していることを特徴とする請求項９記載の白色光源。
  11. 複数の青色発光ＬＥＤを具備し、－０．２≦［（Ｐ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｐ（λｍａｘ１）×Ｖ（λｍａｘ１））－（Ｂ（λ）×Ｖ（λ））／（Ｂ（λｍａｘ２）×Ｖ（λｍａｘ２））］≦＋０．２を満たし、かつ異なる発光スペクトルを有する複数の白色光源を一つのハウジング内に配置したことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の白色光源。
  12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の白色光源を複数個用いたことを特徴とする白色光源システム。
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