JP2007005218A

JP2007005218A - 発光装置及びこの発光装置を備えた照明器具

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Publication number: JP2007005218A
Application number: JP2005186322A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Sekii; 広行関井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-27
Also published as: JP4635741B2

Abstract

【課題】青色ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤと、該白色ＬＥＤの発光面の前方を取り囲むように凹部が形成されたレンズとを有する発光装置、及びこの発光装置を備えた照明器具において、照射面に発生する色ムラを低減する。
【解決手段】発光装置１のレンズ３は、白色ＬＥＤ２の発光面の正面に対向する第１の入射面３１と、白色ＬＥＤ２の発光面の斜め前方に対向する第２の入射面３２と、第２の入射面３２よりレンズ３内部に入射された光を反射する反射面３３と、第１の入射面３１よりレンズ３内部に入射された光、及び、第２の入射面３２よりレンズ３内部に入射され、且つ、反射面３３で反射された光を出射する出射面３４とを備える。レンズ３の第２の入射面３２、反射面３３、又は出射面３４に光拡散処理を施すことにより、白色ＬＥＤ２から各種方向に出射される青白い光乃至黄色みを帯びた光が混ざり合い、照射面９に発生する色ムラが低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、白色ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）を備えた発光装置及びこの発光装置を備えた照明器具に関する。

従来のこの種の発光装置としては、例えば、図９に示されるように、青色ＬＥＤ素子１２１と、青色ＬＥＤ素子１２１から出射された青色光を波長変換する蛍光体１２２とから成る白色ＬＥＤ１０２を備えている。このような白色ＬＥＤ１０２においては、一般に、光の利用効率を高めるために複数の青色ＬＥＤ素子１２１を用いており、青色ＬＥＤ素子１２１を白色ＬＥＤ１０２の中央付近に集中して配置することが多い。このため、白色ＬＥＤ１０２の発光面１０２ａの中央付近から出射される光は、青色ＬＥＤ素子１２１から蛍光体１２２の表面に至る距離が短いため、黄色光に変換される光の割合が少なくなり青白い光となる。一方、発光面１０２ａの端部付近から出射される光は、青色ＬＥＤ素子１２１から蛍光体１２２の表面に至る距離が長いため、黄色光に変換される光の割合が多くなり黄色みを帯びた光となる。図９において、発光面１０２ａの中央付近から出射される光をＬ１、発光面１０２ａの中央と端部との中間付近から出射される光をＬ２、発光面１０２ａの端部付近から出射される光をＬ３として示す。

このような白色ＬＥＤ１０２からの光を、レンズ等を用いずに照射面９に照射する場合、照射範囲の中央付近に照射される光は青白い光となり、照射範囲の端部付近に照射される光は黄色みを帯びた光となる。このように照射範囲の中央付近と、端部付近の光色が異なる場合であっても、レンズ等を用いない場合には、照射面９において色が中央から端部に亘って連続的に変化するため、あまり問題とならない場合が多い。

しかしながら、レンズ等を用いずに白色ＬＥＤ１０２のみで発光装置を形成した場合、配光が広角になり、一部の用途にしか使用できないという問題がある。そこで、図１０に示されるように、発光装置１０１の出射効率を高めるために、白色ＬＥＤ１０２の発光面１０２ａの前方を取り囲むように凹部１３０が形成され、白色ＬＥＤ１０２から出射された光を狭角に集光できるハイブリッドレンズ１０３を用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。なお、ハイブリッドレンズ１０３は、２種類の光路を利用して白色ＬＥＤ１０２から出射される光を集光し、２種類の集光方法を混成して利用することから、このように称している。

ハイブリッドレンズ１０３は、白色ＬＥＤ１０２の発光面１０２ａの正面に対向して凹部１３０の底面に位置する第１の入射面１３１と、白色ＬＥＤ１０２の発光面１０２ａの斜め前方に対向して凹部１３０の側面に位置する第２の入射面１３２と、第２の入射面１３２より該レンズ１０３内部に入射された光を反射する反射面１３３と、第１の入射面１３１より該レンズ１０３内部に入射された光、及び、第２の入射面１３２より該レンズ１０３内部に入射され、且つ、反射面１３３で反射された光を出射する出射面１３４とを有している。

上記発光装置１０１は、第１の入射面１３１より該レンズ１０３内部に入射され、出射面１３４から出射される光と、第２の入射面１３２より該レンズ１０３内部に入射され、更に反射面１３３で反射されて出射面１３４から出射される光とを利用して、白色ＬＥＤ１０２から出射される光を高効率に集光する。
特開昭６０−１３０００１号公報

ところで、青色ＬＥＤ素子１２１と蛍光体１２２とを組み合わせた白色ＬＥＤ１０２と、ハイブリッドレンズ１０３とを備えた発光装置１０１においては、次のような問題がある。上述したように、ハイブリッドレンズ１０３は、２種類の光路を利用して白色ＬＥＤ１０２から出射される光を集光するため、これら光路の違いによって、図１０に示したように、照射面９において発光面１０２ａの端部付近から出射された黄色みを帯びた光Ｌ３が、発光面１０２ａの中央付近から出射された青白い光の近傍に照射されるなど、照射面９において色の変化が不連続になる部分が生じる。このため、人間の目には大きな色ムラとして感じ易いものとなる。

本発明は、このような問題を解消するものであり、青色ＬＥＤ素子と蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤと、該白色ＬＥＤの発光面の前方を取り囲むように凹部が形成されたレンズとを有する発光装置、及びこの発光装置を備えた照明器具において、照射面に発生する色ムラを低減することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、青色ＬＥＤ素子と、この青色ＬＥＤ素子から出射された青色光を波長変換する蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤと、この白色ＬＥＤから出射される光が入射され、該白色ＬＥＤの発光面の前方を取り囲むように凹部が形成されたレンズとを備え、前記レンズは、前記白色ＬＥＤの発光面の正面に対向して前記凹部の底面に位置する第１の入射面と、前記白色ＬＥＤの発光面の斜め前方に対向して前記凹部の側面に位置する第２の入射面と、前記第２の入射面よりレンズ内部に入射された光を反射する反射面と、前記第１の入射面よりレンズ内部に入射された光、及び、前記第２の入射面よりレンズ内部に入射され、且つ、前記反射面で反射された光を出射する出射面とを有する発光装置において、前記第２の入射面に光拡散処理が施されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光装置において、前記光拡散処理が、前記第２の入射面に替えて前記反射面に施されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１に記載の発光装置において、前記光拡散処理が、前記第２の入射面に替えて前記出射面に施されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置を備えたことを特徴とする照明器具である。

本発明の発光装置によれば、レンズの第２の入射面、反射面、又は出射面に光拡散処理が施されているので、白色ＬＥＤから各種方向に出射される青白い光乃至黄色みを帯びた光の一部が、光拡散処理が施された面で拡散され、照射面で混ざり合う。このため、照射面における色の変化がなだらかになり光拡散処理を施さない場合と比較して照射面における色ムラを低減することができる。

また、本発明の照明器具によれば、色ムラが低減された発光装置を備えるので、高品質の白色光を得ることができ、演色性の高い照明器具を提供することができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る発光装置について図１及び図２を参照して説明する。発光装置１は、青色ＬＥＤ素子２１と、この青色ＬＥＤ素子２１から出射された青色光を波長変換する蛍光体２２とを組み合わせた白色ＬＥＤ２と、この白色ＬＥＤ２から出射される光が入射され、該白色ＬＥＤ２の発光面２ａの前方を取り囲むように凹部３０が形成されたハイブリッドレンズ３とを備えている。なお、図１、図３、図５、及び図１０の断面図においては、ハイブリッドレンズ３のハッチングを省略して示している。

青色ＬＥＤ素子２１及び蛍光体２２を形成する材料は、特に限定されるものではなく、例えば、青色ＬＥＤ素子２１にはＩｎＧａＮ系の材料が用いられ、蛍光体２２には（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋系蛍光体が用いられる。

ハイブリッドレンズ３は、白色ＬＥＤ２の発光面２ａの正面に対向して凹部３０の底面に位置する第１の入射面３１と、白色ＬＥＤ２の発光面２ａの斜め前方に対向して凹部３０の側面に位置する第２の入射面３２と、第２の入射面３２よりレンズ３内部に入射された光を反射する反射面３３と、第１の入射面３１よりレンズ３内部に入射された光、及び、第２の入射面３２よりレンズ３内部に入射され、且つ、反射面３３で反射された光を出射する出射面３４とを有している。なお、ハイブリッドレンズ３を形成する材料は特に限定されるものではなく、公知の透明樹脂やガラス等が用いられる。

第１の入射面３１は、白色ＬＥＤ２側に凸になるように形成された略球面を有しており、
白色ＬＥＤ２から入射された光を出射面３４に向けて屈折させる。第２の入射面３２は、凹部３０の開口が凹部３０の底面より広くなるようにテーパー状に形成されており、白色ＬＥＤ２から入射された光を反射面３３に向けて屈折させる。反射面３３は、第２の入射面３２の凹部３０の開口側の端部３５から出射面３４の端部に至る曲面を有しており、後述する光拡散処理が第２の入射面３２に施されていない状態で、第２の入射面３２から反射面３３に入射された光を略全反射できるように形成されている。なお、以下においては、第２の入射面３２の凹部３０の開口側の端部３５をハイブリッドレンズ３の角部という。出射面３４はハイブリッドレンズ３及び白色ＬＥＤ２の中心を通る光軸に対して略垂直な略平面となるように形成されている。

本実施形態において、第２の入射面３２には光拡散処理が施されている。このような光拡散処理は、例えば、図２（ａ）に示されるように、第２の入射面３２に酸化チタン等を拡散物質とするアクリル白色塗料を塗布し、塗膜４１を形成することにより行われる。また、図２（ｂ）に示されるように、第２の入射面３２に周期的なプリズム４２を形成することにより、第２の入射面３２に光拡散処理を施してもよく、図２（ｃ）に示されるように、第２の入射面３２に所定曲率を有する凹面４３又は凸面を形成することにより第２の入射面３２に光拡散処理を施すようにしてもよい。なお、ここで、凹面４３又は凸面とは、第２の入射面３２を、光が入射する側から見たときの凹面又は凸面をいう。図２（ｃ）において、凹面４３が形成される前の第２の入射面３２の形状を点線で示している。

このような光拡散処理は、第２の入射面３２の全域に亘って施す必要はなく、少なくとも角部３５近傍の領域を含んで施される。ハイブリッドレンズ３の角部３５近傍に入射する光は、その他の領域に入射する光と比較して最も黄色みを帯びた光Ｌ３の割合が多い。このため、角部３５近傍の第２の入射面３２に光拡散処理を施すことにより、図１に示すように、黄色みを帯びた光Ｌ３が照射面９において広範囲に到達することになる。このため、例えば、照射面９の中央に到達した黄色みを帯びた光Ｌ３が、照射面９の中央に到達した青白い光Ｌ１等と混ざり合うこととなり、その結果、照射面９における色の変化がなだらかになり光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９に色ムラが生じ難くなる。

このように、本実施形態の発光装置１によれば、ハイブリッドレンズ３の第２の入射面３２に光拡散処理が施されているので、白色ＬＥＤ２から各種方向に出射される青白い光乃至黄色みを帯びた光の一部が、第２の入射面３２で拡散され、照射面９で混ざり合う。このため、光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９における色ムラを低減することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置について図３及び図４を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、光拡散処理が、第２の入射面３２に施されておらず、反射面３３に施されている点で第１の実施形態と異なる。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

光拡散処理は、例えば、図４（ａ）に示されるように、反射面３３に酸化チタン等を拡散物質とするアクリル白色塗料を塗布し、塗膜５１を形成することにより行われる。また、図４（ｂ）に示されるように、反射面３３に周期的なプリズム５２を形成することにより、反射面３３に光拡散処理を施してもよく、図４（ｃ）に示されるように、反射面３３に所定曲率を有する凹面５３又は凸面を形成することにより反射面３３に光拡散処理を施すようにしてもよい。なお、ここで、凹面５３又は凸面とは、反射面３３を、光が入射する側から見たときの凹面又は凸面をいう。図４（ｃ）において、凹面５３が形成される前の反射面３３の形状を点線で示している。

上記３つの光拡散処理のうち、高反射率のアクリル白色塗料を用いた光拡散処理が、発光装置１の出射効率を向上させる上で最も好ましい。なお、第１の実施形態のように、第２の入射面３２にアクリル白色塗料を塗布する場合、高い透過率と光拡散性が要求されるが、酸化チタンを拡散物質とするアクリル白色塗料の場合、透過率７０％程度の塗膜４１を得ることが可能である。一方、本実施形態のように、反射面３３にアクリル白色塗料を塗布する場合、高い反射率と光拡散性が要求されるが、酸化チタンを拡散物質とするアクリル白色塗料の場合、反射率９０％以上の塗膜５１を容易に得ることが可能である。

このような光拡散処理は、反射面３３の全域に亘って施す必要はなく、少なくとも角部３５近傍の領域を含んで施される。角部３５近傍の反射面３３に入射する光は、その他の領域の反射面３３に入射する光と比較して最も黄色みを帯びた光Ｌ３の割合が多い。このため、角部３５近傍の反射面３３に光拡散処理を施すことにより、図３に示すように、黄色みを帯びた光Ｌ３が照射面９において広範囲に到達することになる。このため、例えば、照射面９の中央に到達した黄色みを帯びた光Ｌ３が、照射面９の中央に到達した青白い光Ｌ１等と混ざり合うこととなり、その結果、照射面９における色の変化がなだらかになり光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９に色ムラが生じ難くなる。

このように、本実施形態の発光装置１によれば、ハイブリッドレンズ３の反射面３３に光拡散処理が施されているので、白色ＬＥＤ２から各種方向に出射される青白い光乃至黄色みを帯びた光の一部が、反射面３３で拡散され、照射面９で混ざり合う。このため、光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９における色ムラを低減することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る発光装置について図５及び図６を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、光拡散処理が、第２の入射面３２に施されておらず、出射面３４に施されている点で第１の実施形態と異なる。他の構成は、第１の実施形態と同様である。

光拡散処理は、例えば、図６（ａ）に示されるように、出射面３４に酸化チタン等を拡散物質とするアクリル白色塗料を塗布し、塗膜６１を形成することにより行われる。また、図６（ｂ）に示されるように、出射面３４に周期的なプリズム６２を形成することにより、出射面３４に光拡散処理を施してもよく、出射面３４に高透過率、高拡散性の拡散シートを貼り付けることにより出射面３４に光拡散処理を施してもよい。これら光拡散処理のうち、プリズム６２を用いた光拡散処理が、発光装置１の出射効率を向上させる上で最も好ましい。なお、プリズム６２の形状を適宜変化させ、ビーム角を調整することも可能である。

出射面３４に光拡散処理を施すことにより、図５に示されるように、出射面３４の各領域に到達した光が拡散されて照射面９において広範囲に到達することになる。このため、例えば、照射面９の中央に到達した黄色みを帯びた光Ｌ３が、照射面９の中央に到達した青白い光Ｌ１等と混ざり合うこととなり、その結果、照射面９における色の変化がなだらかになり光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９に色ムラが生じ難くなる。

このように、本実施形態の発光装置によれば、ハイブリッドレンズ３の出射面３４に光拡散処理が施されているので、白色ＬＥＤ２から各種方向に出射される青白い光乃至黄色みを帯びた光が、出射面３４で拡散され、照射面９で混ざり合う。このため、光拡散処理を施さない場合と比較して照射面９における色ムラを低減することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る照明器具について図７を参照して説明する。本実施形態の照明器具７０は、上述した第１の実施形態乃至第３の実施形態のいずれかに係る発光装置１を、口金付きＬＥＤ交換ユニットに使用したものであり、発光装置１に加えて、発光装置１に所定の電力を供給する電源回路５と、不図示のソケットに取り付けられる口金７１とを備えている。

本実施形態の照明器具７０によれば、色ムラが低減された発光装置１を備えるので、高品質の白色光を得ることができ、演色性の高い照明器具を提供することができる。また、口金７１を備えるので、例えば、白熱灯の代替として利用可能であり、白熱灯を用いた照明器具が有する低いエネルギー効率、短寿命等の問題点を改善することができる。

次に、本発明の第５の実施形態に係る照明器具について図８を参照して説明する。本実施形態の照明器具８０は、上述した第１の実施形態乃至第３の実施形態のいずれかに係る発光装置１を、アーム付ＬＥＤライトに使用したものであり、例えば、読書灯又はベッドライト等として用いられる。照明器具８０は、発光装置１に加えて、発光装置１に所定の電力を供給する電源回路５と、発光装置１等を移動自在に支持するアーム８とを備えている。アーム８は、複数のパイプ８１と、これらパイプ８１を連結する関節部８２と、連結されたパイプ８１及び関節部８２を回転自在に支持する軸部８３とを備えている。

本実施形態の照明器具８０によっても、色ムラが低減された発光装置１を備えるので、高品質の白色光を得ることができ、演色性の高い照明器具を提供することができる。また、アーム８の関節部８２と軸部８３を回転させることにより発光装置１の位置を容易に変化させることができるので、ユーザは照射位置を自分の好きなように変化させることができる。このため、例えば、照明器具８０をベッドライトに使用した場合において、ベッド等で読書をする際、読書に必要な範囲のみを照射して、ベッドで寝ている他の人等に光が届かないようにすることができる。

なお、本発明は上記各種実施形態の構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、発光装置１を、口金付きＬＥＤ交換ユニットやアーム付ＬＥＤライト以外の照明器具に用いても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置の断面図。（ａ）は同発光装置のハイブリッドレンズの第２の入射面に光拡散用の塗膜を形成した断面図、（ｂ）は同第２の入射面に光拡散用のプリズムを形成した断面図、（ｃ）は同第２の入射面に光拡散用の凹面を形成した断面図。本発明の第２の実施形態に係る発光装置の断面図。（ａ）は同発光装置のハイブリッドレンズの反射面に光拡散用の塗膜を形成した断面図、（ｂ）は同反射面に光拡散用のプリズムを形成した断面図、（ｃ）は同反射面に光拡散用の凹面を形成した断面図。本発明の第３の実施形態に係る発光装置の断面図。（ａ）は同発光装置のハイブリッドレンズの出射面に光拡散用の塗膜を形成した断面図、（ｂ）は同出射面に光拡散用のプリズムを形成した断面図。（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る照明器具を側面から見た概略図、（ｂ）は同照明器具を正面から見た概略図。本発明の第５の実施形態に係る照明器具の概略図。従来の白色ＬＥＤの断面図。従来の発光装置の断面図。

符号の説明

１発光装置
２白色ＬＥＤ
３ハイブリッドレンズ（レンズ）
２１青色ＬＥＤ素子
２２蛍光体
３０凹部
３１第１の入射面
３２第２の入射面
３３反射面
３４出射面
７０，８０照明器具

Claims

青色ＬＥＤ素子と、この青色ＬＥＤ素子から出射された青色光を波長変換する蛍光体とを組み合わせた白色ＬＥＤと、この白色ＬＥＤから出射される光が入射され、該白色ＬＥＤの発光面の前方を取り囲むように凹部が形成されたレンズとを備え、
前記レンズは、
前記白色ＬＥＤの発光面の正面に対向して前記凹部の底面に位置する第１の入射面と、
前記白色ＬＥＤの発光面の斜め前方に対向して前記凹部の側面に位置する第２の入射面と、
前記第２の入射面よりレンズ内部に入射された光を反射する反射面と、
前記第１の入射面よりレンズ内部に入射された光、及び、前記第２の入射面よりレンズ内部に入射され、且つ、前記反射面で反射された光を出射する出射面とを有する発光装置において、
前記第２の入射面に光拡散処理が施されていることを特徴とする発光装置。
前記光拡散処理が、前記第２の入射面に替えて前記反射面に施されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記光拡散処理が、前記第２の入射面に替えて前記出射面に施されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置を備えたことを特徴とする照明器具。