JP2008268260A - ３波長型白色発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性、耐環境性があり、演色性が高く、高輝度の円柱状ないしは円環状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置を得ること。
【解決手段】二つの端面（第１端面、第２端面）を有する円柱状ないしは円環状発光体と、前記第1端面に第１レンズを介して光を導入する第１の疑似白色ＬＥＤ光源と、前記第２端面に第２レンズを介して光を導入する第２の擬似白色ＬＥＤ光源と、前記発光体へ導入する前記各疑似白色ＬＥＤ光源の色温度を制御する制御手段とを備え、前記発光体は、管状クラッドと該管状クラッドの構成材料よりも高屈折率の材料で構成されるコアとを持ち、該管状クラッド層と該コアとの間に該管状クラッドの長さ方向に延在する少なくとも１本の帯状の反射層を持ち、該反射層内に赤色（ピーク波長６００ｎｍ〜８００ｎｍ）に発光する赤色蛍光体を含有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば発光装置に係り、特に、演色性が高く、高輝度の円柱状ないしは円環状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置に関する。

従来、屋内の光源用や屋外での装飾用として円柱状（以下、「線状」ともいう。）ないし円環状（以下、「平面視円状」、「平面視円周状」ともいう。）の発光体としては、蛍光管やネオン管がある。しかし、蛍光管やネオン管はガスを封入したガラス管であるため、耐衝撃性に難があり、取り扱いに注意が必要であり、定期的な保守作業が必要である。また近年高性能な照明が必要となってきている宇宙にある施設内、もしくは宇宙空間での使用は困難である。

耐衝撃性の問題を解決する方法として、固体の導光体（例えば特許文献１参照）の端面にＬＥＤ光源を備え、ＬＥＤ光源を発光させることで導光体を光らせる発光装置をあげることができる（例えば特許文献２参照）。

しかしながら、上記の従来からの発光装置においては、宇宙での使用に必要な照明の性能は蛍光管に劣っており、使用は困難である。特に物体の色を自然光で見たときと同じように照らす演色性を高くすることや輝度を高くすることが求められるが、これに対応できていない。
特開２０００−３３８３３０号公報 特開２００３−２５７２０５号公報

本願は、これら従来技術上の各種問題点を解決するためになされたもので、固体の発光体とＬＥＤ発光源と赤色蛍光体による発光装置において、演色性が高く、高輝度の円柱状ないしは円環状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、二つの端面（第１端面、第２端面）を有する円柱状ないしは円環状発光体と、前記第1端面に第１レンズを介して光を導入する第１の疑似白色ＬＥＤ光源と、前記第２端面に第２レンズを介して光を導入する第２の擬似白色ＬＥＤ光源と、前記発光体へ導入する前記各疑似白色ＬＥＤ光源の色温度を制御する制御手段とを備え、前記発光体は、管状クラッドと該管状クラッドの構成材料よりも高屈折率の材料で構成されるコアを持ち、該管状クラッド層と該コアとの間に該管状クラッドの長さ方向に延在する少なくとも１本の帯状の反射層を持ち、該反射層内に赤色（ピーク波長６００ｎｍ〜８００ｎｍ）に発光する赤色蛍光体を含有することを特徴とする。
またこのとき、前記第１及び第２の疑似白色ＬＥＤ光源は、1つのＬＥＤチップ素子で２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子を少なくとも２チップ素子以上実装したパッケージであるように構成してもよい。
これにより、輝度はＬＥＤチップの数を増やすことで明るくすることができ、１つのチップで２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤ素子を使用していることから発光部の信頼性を高くすることができ、長寿命を達成することができる。さらに当該反射層内に赤色に発光する蛍光体を含有することにより、発光体から発する光はＬＥＤからの２つの発光ピークに、赤蛍光体の発光ピークが加わり、蛍光管と同等の演色性をもった３波長型白色発光が得られる。

本発明によれば、ＬＥＤを発光源とする発光装置における耐衝撃性、耐環境性といった特徴をなくすことなく、かつ演色性が高く、高輝度の円柱状ないしは円環状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置を得ることが可能になる。

本発明の実施形態によれば、第1レンズおよび第２レンズおよびパッケージを構成する材料中には赤色蛍光体材料を含有していないため、第１の疑似白色ＬＥＤ光源や第２の疑似白色ＬＥＤ光源を動作させるときに生じる熱による蛍光体の劣化は発生することがなく長寿命な３波長型白色発光装置が得られる。

本発明の実施態様として、赤色蛍光体は、疑似白色ＬＥＤチップ素子の２つの発光ピーク波長の少なくとも1つの発光ピーク波長に励起エネルギー帯を持ち、ピーク波長６００ｎｍ〜８００ｎｍに発光エネルギーをもつ有機材料を含んだ蛍光体である。これにより、演色性の高い３波長型白色発光装置が得られる。

以上を踏まえ、以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において、同じ対象は同一の符号を付し、同一の説明を省略する場合もある。また、図面では構成を主に説明することを主眼とするため、寸法等は多少デフォルメされている場合もある。
図１は、本発明の第１の実施様態に係る線状の発光体を持つ３波長型白色発光装置を示す斜視図である。図２は、図１に係る３波長型白色発光装置１００のうちの発光体３０の長手方向に直交する断面で切った断面図である。
同図に示すように、本願に係る３波長型白色発光装置１００は、二つの端面（第１端面、第２端面）を有する発光体３０と、発光体３０の第１端面に第１レンズ１２を介して連結され、発光体３０に光を導入する第１の疑似白色ＬＥＤ光源１と、発光体３０の第２端面に第２レンズ２２を介して連結され、発光体３０に光を導入する第２の疑似白色ＬＥＤ光源２と、第１及び第２の疑似白色ＬＥＤ光源１及び２にそれぞれ接続され、それぞれの光源の色温度を制御する制御装置１４及び２４を備えて構成される。
図１及び図２に示すように、円柱状（「線状」ともいう。）の発光体３０は、管状クラッド層３２と管状クラッド層３２よりも高屈折率のコア３１とを備え、管状クラッド層３２とコア３１との間に長さ方向に延在する反射・拡散材料からなる帯状の反射層３３を有し、反射層材料３３中に有機物が主成分である赤色蛍光体３４（例えば、Ｅｕ錯体含有ポリマーや赤顔料含有ポリマーなど）を含有している。赤色蛍光体３４の含有率は反射材料に対して５重量％以下としている。有機物が主成分である赤色蛍光体３４は、疑似白色ＬＥＤチップの発光波長である青(４６０ｎｍ付近)や緑（５００ｎｍから−５５０ｎｍ付近）に強い励起エネルギーをもつ材料が多く、少ない蛍光体の量でも、強い赤の発光が得られることから、本実施形態では好適である。また、反射層材料３３中の赤色蛍光体３４は、長手方向の直交断面において発光４０を出射させる位置を回避するようにコア３１を覆うように形成する。より具体的には、管状クラッド層３２とコア３１との境界について同直交断面の略１／４周回〜略３／４周回が覆われるように形成するのが望ましく、より好適には、同断面の略１／２周回が覆われるように形成する。
第１の疑似白色ＬＥＤ光源１は1つのＬＥＤチップ素子で２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子１１を複数個実装したＬＥＤパッケージ１０にパッケージ１０の熱を逃がす放熱装置１３、およびＬＥＤパッケージ１０から出射する疑似白色光を集光するレンズ１２を備えて構成され、かかるＬＥＤパッケージ１０には疑似白色ＬＥＤチップ素子１１の動作電流を制御する制御装置１４が接続されて構成されている。同様に第２の疑似白色ＬＥＤ光源２は疑似白色ＬＥＤチップ素子２１を複数個実装したＬＥＤパッケージ２０に放熱装置２３、およびレンズ２２を備えて構成され、かかるＬＥＤパッケージ２０には制御装置２４が接続されて構成されている。
次に、こうして構成される本願に係る３波長型白色発光装置１００の作用・動作を説明する。
第１の疑似白色ＬＥＤ光源１と第２の疑似白色ＬＥＤ光源２からでた疑似白色光は線状発光体３０の両側にある第１端面と第２端面のコア３１にそれぞれ入射され管状クラッド層３２との界面で反射をしながら、発光体３０の内部を進んでいく。その際、帯状の反射層３３に到達した疑似白色光は反射層３３で反射層と対抗する面に反射するとともに反射層中に含有した赤色蛍光体３４を励起し、この結果、赤の発光が反射層と対抗する面に出射する。
２つのピーク波長を持った疑似白色光と赤蛍光体による赤の発光が混ざった形で、線状の発光４０が発光体３０より出射する。
図３に1つのＬＥＤチップ素子で２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子の発光スペクトル、図４に疑似白色ＬＥＤ素子による発光と赤蛍光体による赤の発光が混ざった発光４０の発光スペクトルを示す。
図３に示す発光スペクトルによる演色性はＲａ（平均演色性）５０前後に対し、図４に示す発光スペクトルによる演色性はＲａ９５以上が得られ、従来の蛍光管で得られているＲａ９５と同等以上になっていることがわかる。
以上、本発明の第１の実施形態によれば、固体の発光体と１つのチップで疑似白色発光をするＬＥＤ発光源と赤色蛍光体により、演色性が高く、高輝度の線状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置を得ることができる。
また、本発明によれば、輝度の調整、明かりの均一性、明かりの広がり方、演色性の調整は線状の発光体の断面形状、断面の大きさ、長さや反射層の幅、形状や反射・拡散材の塗り方、赤蛍光体の含有量、塗り方で調整が可能であり、使用状態や使用環境によって光源であるＬＥＤの特性を調整する必要がなく、安定した特性をもった発光装置を得ることができる。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る円環状の発光体を持つ３波長型白色発光装置を示す斜視図である。本実施形態で示される発光装置は、発光体が平面視で円周状になっており第１端面と第２端面が接近していることと、１つの疑似白色ＬＥＤ光源からの光を２つにわけて第１の疑似白色ＬＥＤ光源と第２の疑似白色ＬＥＤ光源としていることが、前記第１の実施形態と異なっている。
平面視で円周状の発光体６０は、前記線状の発光体と同様に管状クラッド層６１とコア６２を備え、管状クラッド層６１とコア６２との間に長さ方向に延在する反射・拡散材料からなる帯状の反射層６３を有し、反射層材料中に有機物が主成分である赤色蛍光体６４（例えば、Ｅｕ錯体含有ポリマーや赤顔料含有ポリマーなど）を含有している。赤色蛍光体６４の含有率は反射材料に対して５重量％以下としている。反射層６３及び赤色蛍光体６４と、管状クラッド層６１、コア６２との断面の詳細については図２の場合と同様である。
疑似白色ＬＥＤ光源は1つのＬＥＤチップ素子で２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子（図示せず）を複数個実装したＬＥＤパッケージ５０に、パッケージ５０の熱を逃がす放熱装置５３が接続され、さらにＬＥＤパッケージ５０に疑似白色ＬＥＤチップ素子の動作電流を制御する制御装置５４が接続されて構成されている。ＬＥＤパッケージ５０の光が出射する面には、ビームスプリッタ７０を密着させる。ビームスプリッタ７０は、光を入射した異なる２面から光が出るように光を等分配する機能があり、この異なる２面から出た疑似白色ＬＥＤ光を第１および第２の疑似白色ＬＥＤ光源としている。
第１の疑似白色ＬＥＤ光源と第２の疑似白色ＬＥＤ光源からでた疑似白色光は、疑似白色光を集光するレンズ５２Ａ、５２Ｂを介して、円環状発光体６０の両側にある第１端面と第２端面のコア６２にそれぞれ入射され管状クラッド層６１との界面で反射をしながら、発光体６０の内部を進んでいく。その際、帯状の反射層６３に到達した疑似白色光は反射層６３で反射層と対抗する面に反射するとともに反射層中に含有した赤色蛍光体６４を励起し、これにより、赤の発光が反射層と対抗する面に出射する。
２つのピーク波長を持った疑似白色光と赤蛍光体による赤の発光が混ざった形で、円周状の発光８０が発光体６０より出射する。
以上、本発明の第２の実施形態においても、演色性は第１の実施形態と変わらずＲａ９５以上の特性となり、演色性の高い３波長型白色発光装置が得られる。
また、発光体を（平面視）円周状にすることにより、疑似白色ＬＥＤ光源をひとつにすることができ、放熱装置、制御装置もひとつにすることができるため、装置の安定性の向上、コストの削減が容易にできるようになることとともに、従来使用されている円状蛍光管を用いた照明器具などに対して器具の大きな変更をすることなく、発光体を容易に変更することが可能となる。
図６は、本発明の第１の実施形態および第２の実施形態に係る線状ないしは円環状の発光体を持つ３波長型白色発光装置において、それぞれの疑似白色ＬＥＤ光源の動作電流を変えたときの色温度の変化をＣＩＥ色度図に示したものである。
本発明によれば、疑似白色ＬＥＤ光源の動作電流を変えることで疑似白色光の色温度を変えることができ、温かみのある白色（色温度４０００Ｋ程度）から鮮やかな白色（色温度８０００Ｋ以上）まで変えることができる。
従来の蛍光管を用いた照明器具では実現困難な、動作電流の調整で輝度の調整と色温度の調整が実施できる３波長型白色発光装置が実現できる。
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、線状ないしは円環状の発光体の断面は円で図示したが、明かりの広がり方を制御するため楕円であってもよく、また、反射層は複数の帯状、また帯が長さ方向に複数に分割されていても、本発明の効果がなくなることはない。
また、断面形状では反射層がたとえば断面の周回の略半周を覆う構造の例を示したが、このようにベタにせずに、断面視で切片を複数設けるように構成してもよい。
さらに、上記の説明では、主に円柱状（平面視線状）のものと、円環状（平面視円周状）のものとを例にとったが、これらは厳密に円柱状、環状のものに限られることはなく、略円柱状、略環状のものであってもよく、さらにこれらの形状以外の形状、たとえば（平面視）楕円形、多角形状のものでもよい。また、2次元的にのみ展開する形状である必要は必ずしもなく、3次元的に展開する形状、たとえば球状、四面体状等であってもよい。

さらにまた、上述したものは本願に係る技術思想を具現化するための実施形態の一例を示したにすぎないものであり、他の実施形態でも本願に係る技術思想を適用することが可能である。

また、本願発明を用いて生産される装置、方法、システムが、その２次的生産品に登載されて商品化された場合であっても、本願発明の価値は何ら減ずるものではない。

本発明に係る３波長型白色発光装置によれば、ＬＥＤを発光源とする発光装置における耐衝撃性、耐環境性といった特徴をなくすことなく、かつ演色性が高く、高輝度の円柱状ないしは円環状の照明、光源に使用できる３波長型白色発光装置を得ることが可能になるため、施設、住居、ホテル等照明を必要とするあらゆる機会に、さらに宇宙空間等においてさえ有用性を発揮することとなり、各種産業に非常な有益性をもたらすものである。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置を説明する外観図である。 図１に係る３波長型白色発光装置１００のうちの発光体３０の長手方向の直交断面図である。 ２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子からの光の発光スペクトルを示す図である。 本発明の３波長型白色発光装置からの光の発光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る発光装置を説明する外観図である。 本発明の３波長型白色発光装置において、疑似白色ＬＥＤ光源の動作電流を変えたときの色温度の変化を示す図である。

符号の説明

１、２…疑似白色ＬＥＤ光源、１０、２０、５０…ＬＥＤパッケージ、１１、２１…疑似白色ＬＥＤチップ素子、１２、２２、５２Ａ、５２Ｂ…レンズ、１３、２３、５３…放熱装置、１４、２４、５４…制御装置、３０、６０…発光体、３１、６１…管状クラッド層、３２、６２…コア、３３、６３…反射層、３４、６４…赤色蛍光体、４０、８０…発光、７０…ビームスプリッタ、１００…３波長型白色発光装置

Claims (4)

1. 二つの端面（第１端面、第２端面）を有する略円柱状ないしは略円環状発光体と、
   前記第1端面に第１レンズを介して光を導入する第１の疑似白色ＬＥＤ光源と、
   前記第２端面に第２レンズを介して光を導入する第２の擬似白色ＬＥＤ光源と、
   前記発光体へ導入する前記各疑似白色ＬＥＤ光源の色温度を制御する制御手段とを備え、
   前記発光体は、管状クラッドと該管状クラッドの構成材料よりも高屈折率の材料で構成されるコアとを持ち、該管状クラッド層と該コアとの間に該管状クラッドの長さ方向に延在する少なくとも１本の帯状の反射層を持ち、該反射層内に赤色（ピーク波長６００ｎｍ〜８００ｎｍ）に発光する赤色蛍光体を含有することを特徴とする３波長型白色発光装置。
2. 前記第１及び第２の疑似白色ＬＥＤ光源は、1つのＬＥＤチップ素子で２つの発光ピーク波長をもつ疑似白色ＬＥＤチップ素子を少なくとも２チップ素子以上実装したパッケージであることを特徴とする請求項１記載の３波長型白色発光装置。
3. 前記第1レンズおよび第２レンズ、更に該当する場合には前記パッケージ、を構成する材料中には前記赤色蛍光体材料を含有していないことを特徴とする請求項１もしくは２記載の３波長型白色発光装置。
4. 前記赤色蛍光体は、前記ＬＥＤチップ素子の２つの発光ピーク波長の少なくとも1つの発光ピーク波長に励起エネルギー帯を持ち、ピーク波長６００ｎｍ〜８００ｎｍに発光エネルギーをもつ有機材料を含んだ蛍光体であることを特徴とする請求項１記載の３波長型白色発光装置。

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