JP2009158903A - Ｌｅｄ発光ユニット及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な工程で、発光色のばらつきが低減できるＬＥＤ発光ユニット及びそれを用いた発光装置を安価に製造することを目的とする。
【解決手段】本発明は、所定の表色系における色度座標によってランク分けされたＬＥＤ発光要素１の正規分布よりなる複数の母集団１−１、１−２から少なくとも１個ずつ抽出されて組合せられる複数のＬＥＤ発光要素１と、この複数のＬＥＤ発光要素１が配設された取付体２とを具備するＬＥＤユニット１０である。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光色のばらつきを低減するＬＥＤ発光ユニット及びそれを用いた発光装置に関する。

近時、一般照明用の光源としてＬＥＤが用いられるようになってきている。しかし、ＬＥＤには個体差があり、ＬＥＤ個々の発光色のばらつきが大きく、視覚的に色の違いがはっきり識別できるレベルである。このようなＬＥＤを基板上に複数個配置して照明用の光源として用いる場合、その色のばらつきから、光源全体としても色のばらつきが生じてしまうという問題点がある。特に、発光色として白色系を用いる照明用途ではその問題は大きい。

この種、ＬＥＤ個々の発光色のばらつきの問題を解決するため、ＬＥＤチップと波長変換部材とを組合せて色ばらつきの低減を実現するものが提案されている（特許文献１参照）。ここに示されたものは、ＬＥＤチップと波長変換部材とを別工程で作成するもので、ＬＥＤチップの特性を計測してランク分けし、この各ランクに対応した波長変換部材を作成し、最適のＬＥＤチップと波長変換部材とを組合せ、発光装置を製造するものである。さらに、これら発光装置の特性を計測してランク分けし、異なるランクから発光装置を適宜選択し、選択した発光装置を組合せ、複数のユニットが略同じ発光特性になるように発光装置ユニットを製造する方法が開示されている。
特開２００６−３０３１４０号公報

しかしながら、特許文献１に示されたものにあっては、発光装置の製造では、発光装置単体の色ばらつきの低減を行うもので、ＬＥＤチップと波長変換部材とを別工程で作成するため、製造設備が大規模となる可能性があり、また、ＬＥＤチップの特性の計測、ランク分け、組合せといった工程が必要になるため工程が複雑化し、発光装置のコストアップが免れない。さらに、発光装置ユニットの製造では、発光装置の特性の計測、ランク分け、選択、組合せといった複雑化する工程が必要となり、しかも、その工程は抽象的に開示されているにとどまり具体的開示はない。

本発明は、上記のような状況に鑑みなされたもので、市場における部品の供給構造に着目し、統計的手法を用いてＬＥＤ発光ユニットを構成することにより、比較的簡易な工程で、発光色のばらつきが低減できるＬＥＤ発光ユニット及びそれを用いた発光装置を安価に製造することを目的とする。

請求項１に記載のＬＥＤ発光ユニットは、所定の表色系における色度座標によってランク分けされたＬＥＤ発光要素の正規分布よりなる複数の母集団から少なくとも１個ずつ抽出されて組合せられる複数のＬＥＤ発光要素と；この複数のＬＥＤ発光要素が配設された取付体と；を具備することを特徴とする。

本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義及び技術的意味は次による。所定の表色系における色度座標とは、国際照明委員会（ＣＩＥ）の表色系におけるｘｙ色度図等を意味する。ＬＥＤ発光要素とは、いわゆる表面実装型に用いられるＬＥＤパッケージ、砲弾型のＬＥＤ、チップ・オン・ボード方式による基板等を含み、また、ＬＥＤチップをも含む概念である。複数の母集団とは、ランクの異なるＬＥＤ発光要素の母集団、同一ランクであって製造ロットが異なるＬＥＤ発光要素の母集団、同一ランク同一製造ロットの複数のＬＥＤ発光要素の母集団等を意味する。取付体には、ＬＥＤ発光要素が配設される基板、装置本体等が含まれる。なお、ＬＥＤ発光要素の発光色は、白色系が好適だが、白色系に限定されない。青色や赤色であってもよい。

請求項２に記載のＬＥＤ発光ユニットは、請求項1に記載のＬＥＤ発光ユニットにおいて、前記複数の母集団は、前記ランクが異なるＬＥＤ発光要素の母集団であることを特徴とする。

請求項３に記載のＬＥＤ発光ユニットは、請求項２に記載のＬＥＤ発光ユニットにおいて、前記ランクが異なるＬＥＤ発光要素の母集団は、隣接したランクの母集団であることを特徴とする。

請求項４に記載のＬＥＤ発光ユニットは、相関色温度及び色偏差の分布が異なるＬＥＤ発光要素の複数の母集団から任意に抽出したＬＥＤ発光要素の組合せを複数パターン抽出し、これらの組合せのうち、目標となる相関色温度及び色偏差の範囲内に存在する確率が所定の値よりも高いもの又は最も高いものとなる組合せを選択し、この選択された抽出母集団から少なくとも１個ずつ抽出された複数のＬＥＤ発光要素と；この複数のＬＥＤ発光要素が配設された取付体と；を具備することを特徴とする。

請求項５に記載のＬＥＤ発光ユニットは、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＬＥＤ発光ユニットにおいて、前記ＬＥＤ発光要素は、発光色が白色系であることを特徴とする。白色系には、白色、温白色、電球色等のタイプがある。

請求項６に記載の発光装置は、装置本体と；この装置本体に配設された請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載のＬＥＤ発光ユニットと；を具備したことを特徴とする。本発明の発光装置は、照明器具やディスプレイ装置等を含む概念である。

本発明によれば、比較的簡易な工程で、発光色のばらつきが低減できるＬＥＤ発光ユニット及びそれを用いた発光装置を安価に製造することができる。

以下、本発明のＬＥＤユニットの第１の実施形態について図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本実施形態の基本的構成図である。まず、ＬＥＤ発光要素としてＬＥＤパッケージ１が示されている。このＬＥＤパッケージ１は、セラミックスで形成された本体１ａと、この本体１ａに設けられたリフレクター１ｂと、本体１ａとリフレクター１ｂとで形成された凹部に実装されたＬＥＤチップ１ｃと、このＬＥＤチップ１ｃを封止するシリコーン樹脂１ｄとから構成されている。ＬＥＤチップ１ｃは、青色光を発光する青色のＬＥＤチップである。シリコーン樹脂１ｄはＬＥＤチップ１ｃの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体を含有している。したがって、ＬＥＤチップ１ｃからの光は、結果的にＬＥＤパッケージ１から白色系の発光色となって外部へ放射されるようになっている。因みに、ＬＥＤパッケージ１の外形寸法は、縦３ｍｍ、横２ｍｍ、高さ１ｍｍ程度であり、直方体形状をなしている。このようなＬＥＤパッケージ１を複数個、取付体としての長方形状の基板２や円形状の基板３に表面実装し、ＬＥＤユニット１０を構成する。

ところで、ＬＥＤパッケージ１からＬＥＤユニット１０、さらに、発光装置へと一貫して一の製造者が製造する場合もあるが、ここでは、現実的な市場における部品の供給構造を前提として説明する。概略的には、ＬＥＤパッケージを供給する部品メーカと、そのＬＥＤパッケージを用いて完成品を製作するセットメーカとが存在する構造になっている。そこで、例えば、部品メーカから電球色相当のＬＥＤパッケージを調達し、セットメーカがＬＥＤユニットを製作する場合を想定する。

図２は国際照明委員会（ＣＩＥ）の表色系におけるｘｙ色度図である。この色度図に示すように、部品メーカから、電球色相当として色度範囲Ｓに応じたＬＥＤパッケージ１が市販されている。さらに、この色度範囲Ｓは、例えば、Ａ〜Ｈに８分割されてランク付けされており、セットメーカは、所望の色度範囲、すなわち、ランクを指定してＬＥＤパッケージ１を所定数調達することとなる。仮に、ＡランクのＬＥＤパッケージ１を２，０００個調達してＬＥＤユニット１０を製作する場合を考えると、ＬＥＤパッケージ１は同一製造ロット内であってもＡランクの範囲内において、前記「背景技術」にも述べたように色のばらつきがあり、色のばらつきのあるＬＥＤパッケージを複数個基板に実装すると、この色のばらつきがＬＥＤユニット１０全体に反映されてしまうこととなる。

統計的にみると、各Ａ〜Ｈのランクに含まれるＬＥＤパッケージ１は、色度において標準偏差σの正規分布に従う母集団と考えることができる。図３は、これを示す正規分布図である。つまり、各ランクは、それぞれ平均値μを中心として標準偏差σの正規分布に従う母集団を形成しているということになる。したがって、上記のようにＡランクのＬＥＤパッケージ１を複数個用いてＬＥＤユニット１０を構成すると、標準偏差σに従う色のばらつきが反映されたＬＥＤユニット１０が構成される。

そこで、この各ランクの標準偏差を変えることなくＬＥＤユニット１０間の色ばらつきを低減すべくＬＥＤユニット１０を構成する方法を説明する。図４は、本実施形態の説明図である。

（実施例１）図４において、例えば、Ａランクの母集団１−１とＢランクの母集団１−２との２つの母集団を準備する。勿論、各母集団１−１、１−２は、多数のＬＥＤパッケージ１から構成されている。そして、これら母集団１−１、１−２からそれぞれランダムに１２個ずつ均等個数のＬＥＤパッケージ１を抽出する。この抽出した２４個のＬＥＤパッケージ１を基板２に実装してＬＥＤユニット１０を構成する。この場合、各母集団１−１、１−２の標準偏差σは、色度の２成分（ｘ、ｙ）毎についての標準偏差σであり、各平均値をμ１、μ２とする。なお、前記標準偏差σは、以下の説明を分かりやすくするために各母集団ともに同一としているものである。そして、２つの母集団１−１、１−２から均等個数抽出して組合せて実装した結果は、平均値は（μ１＋μ２）／２となり、標準偏差σ／√２となる正規分布を得る。したがって、標準偏差は１つの母集団によってＬＥＤユニット１０を構成する場合に比し、１／√２倍となり、ばらつきが小さくなり、ＬＥＤユニット１０間の色のばらつきを低減することができる。

図５は、本実施例のイメージを示す色度図である。ＡランクとＢランクの範囲のＬＥＤパッケージを組合せると、混色されてＡランクとＢランクの範囲内に領域ＡＢを有するＬＥＤユニット１０が構成される。上述したように、この領域ＡＢは、標準偏差が小さくなり、色のばらつきが低減されたものとなる。

なお、母集団としては、例えば、ＡランクとＣランク、ＣランクとＤランク、あるいはＡランクとＨランクのように適宜選択することができる。また、本実施例では、偶数個、すなわち、２４個のＬＥＤパッケージ１を基板２に実装してＬＥＤユニット１０を構成する場合について説明したが、奇数個、例えば、２５個のＬＥＤパッケージ１を基板２に実装する場合は、Ａランクの母集団１−１から１３個、Ｂランクの母集団１−２から１２個のＬＥＤパッケージ１を、それぞれから略均等個数抽出するようにすればよい。

（実施例２）同一ランクの２つの母集団を準備してもよい。図４において、例えば、製造ロットＬ１のＡランクの母集団１−１と製造ロットＬ２のＡランクの母集団１−２との２つの母集団を準備する。上述の実施例１と同様に、これら母集団１−１、１−２からそれぞれランダムに均等個数のＬＥＤパッケージ１を抽出し、基板２に実装してＬＥＤユニット１０を構成する。この場合も標準偏差は１つの母集団によってＬＥＤユニットを構成する場合に比し、１／√２倍となり、ばらつきが小さくなり、色のばらつきを低減することができる。

（実施例３）本実施例では、３つ以上の母集団を準備することを想定している。例えば、Ａランクの母集団１−１、Ｂランクの母集団１−２、Ｃランクの母集団１−ｎの３つの母集団を準備する。そして、これら母集団１−１、１−２、１−ｎからそれぞれランダムに均等個数のＬＥＤパッケージ１を抽出し、基板２に実装してＬＥＤユニット１０を構成する。各母集団１−１、１−２、１−ｎの標準偏差σは、色度の２成分（ｘ、ｙ）毎についての標準偏差σであり、各平均値をμ１、μ２とする。なお、前記標準偏差σは、以下の説明を分かりやすくするために各母集団ともに同一とする。そして、３つの母集団１−１、１−２、１−ｎから均等個数抽出して組合せて実装した結果は、平均値は（μ１＋μ２＋μ３）／３となり、標準偏差σ／√３となる正規分布をとる。よって、標準偏差は１つの母集団によってＬＥＤユニットを構成する場合に比し、１／√３倍となり、ばらつきが小さくなり、色のばらつきを低減することができる。

以上のように本実施形態によれば、比較的簡易な工程で、ＬＥＤ発光ユニット間の発光色のばらつきが低減できるＬＥＤ発光ユニットを安価に製造することができる。また、隣接したランクの母集団を選択して組合せる場合には、目標とする発光色に合わせ易い効果が期待できる。

次に、本発明のＬＥＤユニットの第２の実施形態について図６を参照して説明する。図６は本実施形態の説明図である。本実施形態では、母集団の構成単位は、ＬＥＤチップ２０が搭載されたチップ・オン・ボード方式の基板２１である。例えば、製造ロットの異なる母集団を用いる。製造ロットＬ１の母集団１−１と製造ロットＬ２の母集団１−２との２つの母集団を用い、これら母集団１−１、１−２からそれぞれランダムに６個ずつ均等個数の基板２１を抽出する。この抽出した６個の基板２１を取付体としての装置本体３１等に取付けてＬＥＤユニット１０を構成する。

各母集団１−１、１−２は、色度において、標準偏差σであり、各平均値をμ１、μ２とすると、２つの母集団１−１、１−２から均等個数抽出して組合せた結果は、平均値は（μ１＋μ２）／２となり、標準偏差σ／√２となる正規分布を得る。したがって、標準偏差は１つの母集団によってＬＥＤユニットを構成する場合に比し、１／√２倍となり、ばらつきが小さくなり、ＬＥＤユニット１０間の色のばらつきを低減することができる。したがって、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。

次に、本発明のＬＥＤユニットの第３の実施形態について図７乃至図９を参照して説明する。図７乃至図９は、相関色温度−色偏差を示す模式的説明図である。前述の部品の供給構造において、セットメーカーは、部品メーカから所望の色度範囲のＬＥＤパッケージを所定数調達するが、これを相関色温度Ｔｃと色偏差ｄｕｖとの関係から検討する。図７において、横軸は相関色温度Ｔｃ、縦軸は色偏差ｄｕｖを示しており、外枠は部品メーカからのＬＥＤパケージの調達範囲Ａを示している。ここで、セットメーカーは、ＬＥＤユニット間の色のばらつきを低減するため、相関色温度Ｔｃと色偏差ｄｕｖの目標範囲Ｂを図示破線で示すように狭い範囲に設定する。

図８において、例えば、ＬＥＤパッケージを５０リール調達し、このリールから４個ＬＥＤパッケージ１を抽出し、この抽出した４個のＬＥＤパッケージ１を基板２に実装してＬＥＤユニット１０を構成する場合を想定する。因みに、一般的には、ＬＥＤパッケージは、リール部に巻かれたテープに配設されて供給され、１リールには１，０００個〜２，０００個のＬＥＤパッケージが配設されている。したがって、ここでは、１リールが１つの母集団を形成しており、５０個の母集団１−１〜１−５０が準備されている（図示では、説明上、１６個の母集団を示し他は省略している）。これら母集団１−１〜１−５０は、図示のように、それぞれ相関色温度Ｔｃ、色偏差ｄｕｖの分布が異なり、相関色温度Ｔｃの平均値及び標準偏差、色偏差ｄｕｖの平均値及び標準偏差が異なっている。

そこで、ＬＥＤユニット１０が相関色温度Ｔｃと色偏差ｄｕｖの目標範囲Ｂ、すなわち、設計中心にはいる計算、選択方法について説明する。まず、計算にあたり５０リールの母集団１−１〜１−５０の相関色温度Ｔｃ及び色偏差ｄｕｖの平均値、標準偏差σを入力する。これらの数値データは、部品メーカから提供されている。
（１）ＬＥＤユニットの相関色温度と色偏差の期待値計算
前記部品メーカから提供されている各リールの相関色温度Ｔｃ及び色偏差ｄｕｖの平均値、標準偏差σを表１のような配列データとする。

そして、ＬＥＤパッケージｎ個使用するＬＥＤユニットの場合、ＬＥＤのリールは、１ポジション１リールの原則で、実装されるため、ｎ個リールが必要となる。本ＬＥＤユニット用のリールの在庫がｍ個存在していた場合、リールの組合数は、ｍCｎとおりの組合せが可能となる。各リールの組合せにおける相関色温度Ｔｃ及び色偏差ｄｕｖの平均値、標準偏差σを計算する。具体的には、ｎ＝４、ｍ＝５０として計算する。

（２）歩留推定計算
上記計算して求めた各リールの組合せによるＬＥＤユニットの相関色温度Ｔｃ及び色偏差ｄｕｖの平均値、標準偏差σと、目標範囲Ｂの相関色温度Ｔｃ及び色偏差ｄｕｖから、Ｚ−スコア及び目標範囲Ｂの上限、下限をはずれる確率を表２のように求める。

表２の目標範囲Ｂをはずれる確率から、歩留推定率Ｆを次のように求める。
Ｆ＝（１００−（Ｐ_Tc-max＋Ｐ_Tc-min））×（１００−（Ｐ_duv-max＋Ｐ_duv-min））

（３）リールの組合せ（ＬＥＤパッケージを抽出する抽出母集団の組合せ）の選択
歩留推定率Ｆが所定の値よりも高いもの（例えば、９８％以上であるもの）又は最も歩留推定率Ｆの値が高いものの組合せを選択する。因みに、この歩留推定率Ｆの値が高いほどＬＥＤユニットは、目標範囲Ｂの中心に近いものとなる。

以上のように目標範囲Ｂの範囲にはいる確率の高い４リールの組合せの選択に基づいて、各リールから１個ずつＬＥＤパッケージ１を抽出し、基板２に実装する（図８参照）。図９においては、各リールから抽出される４個のＬＥＤパッケージ１の相関色温度Ｔｃと色偏差ｄｕｖの位置関係を示している。各ＬＥＤパッケージ１の色にはばらつきがあるが、これらを組合せることによって、ばらつきを平均化することができ、組合せた結果（図示星印）は、目標範囲Ｂの領域にはいることとなる。
本実施形態によれば、比較的簡易な工程で、ＬＥＤ発光ユニット間の発光色のばらつきが低減できるＬＥＤ発光ユニットを提供することができる。

なお、本実施形態では、発光色のばらつきに着目して、統計的手法を適用する場合について説明したが、ＬＥＤには個体差があり、光度等の明るさや点灯電圧等の電気的特性についてもばらつきを生じる要因が存在する。したがって、これら光度や電気特性についても上記手法を適用してばらつきの軽減を図ることができる。

次に、本発明の発光装置の実施形態を図１０を参照して説明する。図１０は、発光装置を示す斜視図である。発光装置として照明器具であるダウンライト３０・・・が示されている。ダウンライト３０は、本体３１と、本体３１内に配設された上述のＬＥＤ発光ユニット１０と、ＬＥＤ発光ユニット１０からの光を下方に照射する照射開口３２とから構成されている。なお、３３は、ダウンライト３０を天井に取付けるための取付バネである。

以上のように本実施形態によれば、簡易な工程で、複数のダウンライト３０間の発光色のばらつきが低減できるダウンライト３０・・・を提供することができる。

一方、本発明者等は、ＬＥＤパッケージの色のばらつきの低減に関し、研究を行ってきたところ、色度において正規分布をとる母集団を色度図上、所定の偏差ｄｕｖ値で２分割し、これら分割された中からＬＥＤパッケージを抽出し、ＬＥＤユニットを構成することにより、色のばらつきが低減できるとの知見を得た。この場合、偏差ｄｕｖ値の高い分割グループは発光色において赤味が強いため、ここから抽出するＬＥＤパッケージを屋内用の照明器具に用い、偏差ｄｕｖ値の低い分割グループは発光色において温白色に近い色味のため、ここから抽出するＬＥＤパッケージを屋外用の照明器具に用いることができる。このように、使い分けることにより、照明器具間の色のばらつきを低減できるとともに、屋内用の照明器具では、際立った電球色が得られ、屋外用の照明器具では、際立った明るさ感を得ることが可能となる。

本発明のＬＥＤユニットの第１の実施形態を示す基本的構成図である。 同色度図である。 同正規分布図である。 同説明図である。 同イメージを示す色度図である。 本発明のＬＥＤユニットの第２の実施形態を示す説明図である。 本発明のＬＥＤユニットの第３の実施形態を示す模式的説明図である。 同模式的説明図である。 同模式的説明図である。 本発明の発光装置の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１・・・ＬＥＤ発光要素、 １−１、１−２・・・母集団、
２・・・取付体、 １０・・・ＬＥＤ発光ユニット、
３０・・・発光装置（ダウンライト）

Claims (6)

1. 所定の表色系における色度座標によってランク分けされたＬＥＤ発光要素の正規分布よりなる複数の母集団から少なくとも１個ずつ抽出されて組合せられる複数のＬＥＤ発光要素と；
   この複数のＬＥＤ発光要素が配設された取付体と；
   を具備することを特徴とするＬＥＤ発光ユニット。
2. 前記複数の母集団は、前記ランクが異なるＬＥＤ発光要素の母集団であることを特徴とする請求項1に記載のＬＥＤ発光ユニット。
3. 前記ランクが異なるＬＥＤ発光要素の母集団は、隣接したランクの母集団であることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ発光ユニット。
4. 相関色温度及び色偏差の分布が異なるＬＥＤ発光要素の複数の母集団から任意に抽出したＬＥＤ発光要素の組合せを複数パターン抽出し、これらの組合せのうち、目標となる相関色温度及び色偏差の範囲内に存在する確率が所定の値よりも高いもの又は最も高いものとなる組合せを選択し、この選択された抽出母集団から少なくとも１個ずつ抽出された複数のＬＥＤ発光要素と；
   この複数のＬＥＤ発光要素が配設された取付体と；
   を具備することを特徴とするＬＥＤ発光ユニット。
5. 前記ＬＥＤ発光要素は、発光色が白色系であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載のＬＥＤ発光ユニット。
6. 装置本体と；
   この装置本体に配設された請求項１乃至請求項５のいずれか一に記載のＬＥＤ発光ユニットと；
   を具備したことを特徴とする発光装置。

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