JP2010033893A - 発光デバイスおよび光の放射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光時の光の色むらを抑制させた発光デバイスおよび、光の色むらを抑制させるための光の放射方法を提供する。
【解決手段】発光デバイスが、光源１３と、光源１３からの光を反射させるためのリフレクタ１４と、リフレクタ１４からの反射光を受け、反射光を透過させるとともに、反射光の入射によって発光する蛍光体シート１１とを有する。さらに、光源１３は、リフレクタ１４と蛍光体シート１１との間に位置し、光源１３の光の放射方向がリフレクタ１４の方向に向いており、リフレクタ１４の反射面１５は凹状の曲面形状をしている、発光デバイスを提供する。そして、光源１３からリフレクタ１４へ向けて光を照射し、リフレクタ１４で光を１回以上反射させた後に、リフレクタ１４によって反射された光を蛍光体シート１１に入射させ、蛍光体シート１１を透過した光と蛍光体シートが発する光とを外部に放射する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、発光デバイス、特にＬＥＤ（発光ダイオード）チップを有する発光デバイスと、光の放射方法に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）は、消費電力が小さく、長寿命、かつ小型であるため、ＬＥＤを用いた発光デバイスが、小型の端末機器、例えば携帯電話の照明用などに使われている。また最近では、ＬＥＤを用いた発光デバイスが、大型ディスプレイや一般用照明にも採用されてきている。ＬＥＤを利用した発光デバイスが、低電力、長寿命であるという点から、ＬＥＤを利用した一般用照明の需要の大幅な増加が見込まれている。それに伴い、今後ＬＥＤを用い、きれいな白色光を得ることが重要になると思われる。

しかしながら現状では、ＬＥＤ単体のみで白色光を得ることはできない。そこで、ＬＥＤを使い、白色光を得る方法としては、大まかに以下の２つの手法がある。（１）光の３原色である赤・緑・青のＬＥＤを組み合わせて、１つの光源ユニットとして発光させる方法、（２）青色の光が当たると黄色に発光する蛍光体シートに、青色のＬＥＤの光を当てる方法、である。

（１）の方法は、光の３原色である、赤、緑、青の３色が合わさることで、白色光を得ることができる。例えば特許文献１には、赤色ＬＥＤと、緑色ＬＥＤと、青色ＬＥＤとを配置し、これらの３つのＬＥＤからそれぞれ放射される光が、共通のプリズム内で合流する構成が開示されている。（２）の方法は、ＬＥＤの青色の光を受け、蛍光体シートで発光した黄色の光と、蛍光体シートを透過してきた青色の光が合わさることで、白色光を得ることができる。例えば特許文献２には、青色の光を放射するＬＥＤの前面に、青色の光を受けると黄色ないしは橙色の発光を行う蛍光体シートが配置された構成が開示されている。
特開２００５−２８３８１７号公報 特開２００７−０６７２０４号公報

特許文献１で実施されている方法では、３つのＬＥＤから同じプリズムへ向けて光を放射するために、光の指向性をさらに高めるようにリフレクタが設けられている。すなわち、リフレクタで反射された光が全て同一の方向を向くようになっている。

特許文献１で実施しているような、白色光を得るために光の３原色である赤・緑・青の３つのＬＥＤのチップを用いる方法だと、各ＬＥＤチップからの光の明るさのバランスをとるのが難しい。また、３色のＬＥＤを利用するため、ＬＥＤチップが３つ必要であり、１つのＬＥＤチップにつき、１系統の回路が必要なため、合計３系統の回路が必要になるという煩雑さが生じてしまう。

そこで、価格や、手法の簡便さなどの点で、（２）の手法が主流となっている。この蛍光体シートに青色ＬＥＤの光を当てる方法の場合、ＬＥＤは指向性が強く、光が広がりづらいため、青色ＬＥＤの光が当たる蛍光体シートの中心部と、光が当たりづらい蛍光体シートの外周部との間で色むらを生じてしまう。

指向性が強いＬＥＤの光を広範囲に照射させる方法として、特許文献２では、ＬＥＤの光が当たる部分に光拡散層を設け、光を拡散させている。

しかしながら、特許文献２で実施されている色むらを抑制させたＬＥＤ装置では、ＬＥＤの前面に張られた蛍光体シートの一方の面に光拡散層が形成されたものであるため、光拡散層と蛍光体シートとの間に光が拡散する空間がなく、指向性の強いＬＥＤの光が十分に拡散しきれていない可能性がある。そうなると、発光ダイオードの光を直接受ける蛍光体シート中心部は明るく、蛍光体シート中心部から離れると暗くなり、十分に色むらが抑制されていない可能性がある。

これらのことを踏まえると、蛍光体シートを用い、かつ、ＬＥＤの光が蛍光体シートに照射されるまえに、すでに拡散した状態であることが好ましい。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、蛍光体シートへの光の照射むらを抑え、その結果、色むらのない発光色を出す発光デバイスおよび光の放射方法を提供することを目的とする。

本発明は、光源と、光源からの光を反射させるためのリフレクタと、リフレクタからの反射光を受け、反射光を透過させるとともに、反射光の入射によって発光する蛍光体シートとを有し、光源は、リフレクタと蛍光体シートとの間に位置し、光源の光の放射方向がリフレクタに向いており、リフレクタの反射面は、リフレクタ外部に対し窪んだ形状を有している、発光デバイスを提供する。

また、本発明は、光源からリフレクタへ向けて光を照射し、光源からの光をリフレクタで１回以上反射させた後に、リフレクタによって反射された光を蛍光体シートに入射させ、蛍光体シートを透過した光と蛍光体シートが発する光とを外部に放射する、光の放射方法も提供する。

本発明によると、指向性の強い光源（ＬＥＤなど）の光を、直接蛍光体に当てるのではなく、リフレクタに照射し、１回以上リフレクタで反射させてから蛍光体シートに照射させる。そのため、蛍光体シート全体にむらなく光が当たり、光源の指向性による色むらを低減させることができる。

以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。

図１は、本発明に係る第一の実施形態の概略構成図を示したものである。

ＬＥＤデバイスの外枠は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、青い光を受けると、黄色い光を出す蛍光体シート１１と、凹状に湾曲しており、後述する光源（ＬＥＤ１３）の光を反射させるためのリフレクタ１４で構成されている。ＬＥＤデバイスの内部には、蛍光体シート１１と蛍光体シート１１から見て凹型になっているリフレクタ１４の反射面１５とに囲まれた空間１６がある。これは図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、ラグビーボールを短軸で二等分した場合に似た形状（紡錘体の半分のような形状）を持つ空間１６である。リフレクタ１４の曲面形状部分は、ＬＥＤからの光が当たる際に、光を反射する反射面１５となっている。

蛍光体シート１１の内側、つまりリフレクタ１４の反射面１５側には、ＬＥＤ１３を制御するための基板１２が貼られている。この基板１２は、反射面１５に当たったＬＥＤ１３からの光を遮らないように、透光性のものを用いるのが好ましい。

基板１２上には青色の光を放射するＬＥＤ１３が反射面１５側に取り付けられている。ＬＥＤ１３は蛍光体シート１１とリフレクタ１４の反射面１５との間に位置しており、その光の放射方向はリフレクタ１４の方に向いている。したがって、このＬＥＤ１３が発光した際に、ＬＥＤ１３からの光が、直接蛍光体シート１１に光は当たらず、必ず反射面１５に当たり、反射してから蛍光体シート１１に照射される。

なお、リフレクタ１４の反射面１５の凹型の曲面形状は、ＬＥＤ１３からの光が１回以上の反射を繰り返し、蛍光体シート１１に照射されるように設計されたものである。また、リフレクタ１４の反射面１５は、ＬＥＤ１３からの光が、何度も反射を繰り返し、蛍光体シート１１に均一に照射されるのが望ましいため、反射面１５の表面は、滑らかな面ではなく、小さな凹凸のある形状にし、ＬＥＤ１３からの光が当たる際に、拡散反射するようにした。ただし、詳細に光学設計を行い、リフレクタ１４の反射面１５で反射されたＬＥＤ１３からの光が、均一に蛍光体シート１１に当たるようにした場合は、反射面１５に凹凸をつけずに、正反射性を高めてもよい。

実際にＬＥＤを発光させた場合に、ＬＥＤの光がどのように蛍光体シートに照射されるかの一例を、図２に示す。

この場合、ＬＥＤ１３から出た光３１が反射面１５に向かって照射される。そして、例えば点２１で拡散反射し、光は反射面１５上の他の点（例えば点２２、２３）や、蛍光体シート１１に向かう。点２２や２３では拡散反射が起こり、光は反射面１５上のさらに他の点（例えば点２４、２５）や蛍光体シート１１へ向かう。そして、点２４や２５に向かった光は、拡散反射をし、蛍光体シート１１あるいは反射面１５へ向かう（図示せず）。このように、ＬＥＤ１３から出た光３１は、反射面１５で何度も拡散反射され、蛍光体シート１１の隅々まで、均一に照射される。

なお、実際には、ＬＥＤ１３からでた光は、点２１のみならず、反射面１５のある程度の範囲に入射するが、説明を簡略化するために、ここでは点２１に入射した光についてのみ記載している。同様に、実際には、反射面１５で拡散反射された光は、無数の方向に向かって反射していくが、ここでは点２２〜２５に入射する光についてのみ記載した。

図３は、本発明に係る第二の実施形態の概略構成図を示したものである。

ＬＥＤデバイスの外枠は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、青い光を受けると黄色い光を出す蛍光体シート１１と、ＬＥＤ１３からの光を反射させるためのリフレクタ１４と、ＬＥＤ１３を取り付ける基板１２とで構成されている。ＬＥＤデバイス内部はラグビーボールを長軸と短軸で切って、４等分してできる形に似た形状（紡錘体を４等分したような形状）を持つ空間１７がある。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、空間１７の中で、円を４等分した形状の部分に蛍光体シート１１が張られ、曲面形状でない２面のうち、蛍光体シート１１により構成された面以外の面を構成するように、基板１２が取り付けられている。

基板１２の内部、すなわち反射面１５側にＬＥＤ１３が取り付けられている。ＬＥＤ１３は、反射面１５側に向いているため、発光した際に蛍光体シート１１に光は向かわず、反射面１５に向かう。

なお、反射面１５の曲面形状は、ＬＥＤ１３からの光が１回以上の反射を繰り返し、蛍光体シート１１に照射されるように設計されたものである。また、リフレクタ１４の反射面１５は、ＬＥＤ１３からの光が、何度も反射を繰り返し、蛍光体シート１１に均一に照射されるのが望ましいため、反射面１５の表面は、滑らかな面ではなく、小さな凹凸のある形状にし、ＬＥＤの光が当たる際に、拡散反射するようにした。ただし、詳細に光学設計を行い、リフレクタ１４の反射面１５で反射されたＬＥＤ１３からの光が、均一に蛍光体シート１１に当たるようにした場合は、反射面１５に凹凸をつけずに、正反射性を高めてもよい。

実際にＬＥＤを発光させた場合に、ＬＥＤの光がどのように蛍光体シートに照射されるかの一例を、図４に示す。

この場合、ＬＥＤ１３から出た光は、反射面１５に向かって照射される。例えば点２６で光が拡散反射し、反射面１５上の他の点（例えば点２７、２８）あるいは蛍光体シート１１へ向かう。図２とは異なり、図４の場合だと、拡散反射した光が、基板１２に向かう場合もあり得る。点２７、２８へ向かった光は、点２７、２８で拡散反射され、蛍光体シート１１、基板１２あるいは反射面１５へ向かう（図示せず）。このように、ＬＥＤ１３から出た光３１は、反射面１５で何度も拡散反射され、蛍光体シート１１の隅々まで、均一に照射される。

実際には、ＬＥＤ１３からでた光は、点２６のみならず、反射面１５のある程度の範囲に入射するが、説明を簡略化するために、ここでは点２６に入射した光についてのみ記載している。同様に、実際には、反射面１５で拡散反射された光は、無数の方向に向かって反射していくが、ここでは点２７、２８に入射する光についてのみ記載した。

また、図示しないが、基板１２を透明にし、光を反射させる反射シートを、基板１２の外面に取り付けることで、より反射を増やすことができ、ＬＥＤデバイスから出てくる光の輝度を上げることができる。

このように本発明では、ＬＥＤ１３から出た光がリフレクタ１４の反射面１５によって様々な方向に向けて反射され、反射面１５によって何度も繰り返し反射された後に、蛍光体シート１１に到達する光が多い。その結果、蛍光体シート１１には比較的万遍なく光が入射し、全域にわたって光量が均等化するため、色むらが抑制される。

なお、本発明のリフレクタ１４は、あらゆる方向に光を反射させることを目的とするものであり、唯一の方向（プリズムの向かう方向）のみに光を反射する特許文献１とは根本的に全く異なる。

以上の説明は、わかりやすいように反射面を湾曲した曲面形状としたが、リフレクタ外部に対し、反射面がリフレクタ内部に窪んだ形状であればよい。また、ＬＥＤを用いた発光デバイス（ＬＥＤデバイス）について述べたが、ＬＥＤ以外の光源を用いた発光デバイスに応用することもできる。特に、白色光の発光が困難な光源を用いた発光デバイスにおいて、本発明は効果的である。さらには、光源と蛍光体シートとを組み合わせて白色以外の光を得る場合にも本発明を応用することができる。例えば、光源に紫外ＬＥＤを用い、蛍光体シートに、紫外光に励起し、赤に発光する蛍光体と、緑に発光する蛍光体と、青に発光する蛍光体を組み合わせて用いれば、白色を含む数多くの色をむらなく作り出すことができる。

本発明に係る第一の実施形態の光学デバイスを示した概略構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＢＢ’断面図、（ｃ）はＡＡ’断面図である。 図１に示す光学デバイスにおける光の経路の一例を示す図である。 本発明に係る第二の実施形態の光学デバイスを示した概略構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）はＢＢ’断面図、（ｃ）はＡＡ’断面図である。 図３に示す光学デバイスにおける光の経路の一例を示す図である。

符号の説明

１１ 蛍光体シート
１２ 基板
１３ ＬＥＤ
１４ リフレクタ
１５ 反射面
１６〜１７ 空間
２１〜２８ 点
３１ ＬＥＤからの光

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源からの光を反射させるためのリフレクタと、
   前記リフレクタからの反射光を受け、前記反射光を透過させるとともに、前記反射光の入射によって発光する蛍光体シートとを有し、
   前記光源は、前記リフレクタと前記蛍光体シートとの間に位置し、前記光源の光の放射方向が前記リフレクタに向いており、前記リフレクタの反射面は前記リフレクタ外部に対し窪んだ形状を有している、発光デバイス。
2. 前記光源からの光を、前記リフレクタで１回以上反射させてから、前記蛍光体シートに入射させる、請求項１記載の発光デバイス。
3. 前記リフレクタの前記反射面は、凹凸ができるように粗く加工してある、請求項１または２記載の発光デバイス。
4. 前記光源は、基板を介し、前記蛍光体シートの前記リフレクタ側の面に取り付けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の発光デバイス。
5. 光源からリフレクタへ向けて光を照射し、前記光源からの光を前記リフレクタで１回以上反射させた後に、前記リフレクタによって反射された光を前記蛍光体シートに入射させ、前記蛍光体シートを透過した光と前記蛍光体シートが発する光とを外部に放射する、光の放射方法。
6. 前記光源に青色発光ダイオードを用い、青色の光を受けると発光する前記蛍光体シートを用い、前記蛍光体シートを透過した青色の光と、前記蛍光体シートが発する光とを外部に放射することによって白色に視認させるようにする、請求項５に記載の光の放射方法。
7. 紫外発光ダイオードを用いた光源からリフレクタへ向けて光を照射し、前記光源からの光を前記リフレクタで１回以上反射させた後に、前記リフレクタによって反射された光を、紫外光を受けると赤に発光する蛍光体と、緑に発光する蛍光体と、青に発光する蛍光体で構成された蛍光体シートに入射させることで、任意の色を外部に放射する、光の放射方法。

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