JP2010282974A - 照明器具 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有するLED、又はLED素子のみを発光源とするLEDを回路基材に複数個実装してなる照明器具において、色温度の高いLED11と、それよりも色温度の低いLED10とを対として組み合わせて回路基材13に実装し、且つ少なくとも片方のLEDの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴とする照明器具。
【選択図】図2
Description
蛍光灯のように青白い光(色温度が高い)は、暗いと陰気で寒々しく感じ、白熱灯のように赤っぽい光(色温度が低い光)は、明るすぎると暑苦しく感じる。このように色温度による心理効果をクルーゾフ効果という。これは、日の出と共に活動を始め、夕方から夜にかけて休息をとる一般的な人の生活のリズムによるものである。人を活動的にして勉強や仕事を行う日中は、色温度が高くかつ光量が必要となり、夜になると安らぎが感じられる色温度が低くかつ光量も低い照明が望ましい。このため、本発明には、青変化方式が非常に適している。
一方、黄変化方式は、前述した心理効果と逆行するために、非常に心理的に不愉快な照明となってしまう。
これは、心理効果であることから、具体的な数値での光量差は明確ではないが、例えば、新照明教室・光源(照明学会普及部)によれば、色温度が3300K以下では、2000lxから500lxが快適であり、色温度5300Kでは2000lx以上が快適とある。
また、人間の目は、明るさが1.5倍程度変化しないと明るさを感じないため、色温度の低い照明と色温度の高い照明では2倍程度の変化を与えることで、心理的に良好な照明が実現できる。これにより、さらに省エネルギー効果が期待できるとともに、一般的な生活リズムにあった照明が実現できるために、寝つきがよくなるなど健康への効果も期待できる。
図1は、本発明の照明器具に用いるLEDの一例である表面実装型パッケージ(SMD)の構造を示す断面図である。図1中、符号1はLED、2はカップ部材、3はLED素子、4は金細線、5A及び5Bはパッケージ電極、6は蛍光体入り透明樹脂、7は蛍光体である。このLED1は、擂り鉢状の凹部を有し、かつ裏面側から凹部底面に延設された一対のパッケージ電極5A,5Bを有するカップ部材2と、このカップ部材2の凹部底面の一方のパッケージ電極5A上に載置されたLED素子3と、LED素子3の上部電極と他方のパッケージ電極5Bとを電気的に接続する金細線4と、このLED素子3を封止するようにカップ部材2の凹部内に充填・硬化された蛍光体入り透明樹脂6とを備えて構成されている。LED素子3の下部電極と一方のパッケージ電極5Aとは、導電性ペーストによって電気的に接続されている。蛍光体7を分散した樹脂は透明であり、LED素子3の全体を被覆している。
第1の工程では、カップ部材2の凹部底面に露出しているLED素子載置用(中央まで延びている)のパッケージ電極5A上にLED素子3を導電性ペーストを用いてダイボンディングする。
第2の工程では、LED素子3ともう一方のパッケージ電極5Bとを金細線4でワイヤボンディングする。
第3の工程では、粉末状の蛍光体7を混合分散させた樹脂(例えば、エポキシ樹脂など)を、LED素子3及び金細線4を覆うように、カップ部材2の凹部に適量塗布し、樹脂を硬化させる。この時、それぞれの蛍光体について、予め実験によって決定した適切な濃度及び塗布量に調整する。
図2(c)に例示した照明器具14では、黄色LED10と青色LED11とを四角形枠上に沿って交互に合計8個並べた構造であり、これらのLEDを点灯させることで、黄色光と青色光の混色光が出力されるようになっている。
なお、各LEDの配列形態は、これらの例示にのみ限定されず、多数の黄色LED10と青色LED11とを交互に、又はランダムに配置する各種の配列形態を採用し得る。
また、これらの照明器具において、混色のために拡散板を配置したり、集光等のための光学部材を配置することもある。
演色とは照明される光源の違いによって色の見え方が異なる現象を言い、その特性を演色性と言う。一般に演色性とは自然光と対比させた光源の性質を表すものであり、光源の演色性評価方法は、JIS Z8726により決まっている。
演色性は、一般的には、自然光のような光を基準にして、「よい」、「わるい」と表現するが、その自然光に近い照明を基準光として、JIS Z 8726に規定された方法で試験光を調べ、照明光の演色性を評価する。演色評価数には、平均演色評価数と特殊演色評価数がある。平均演色評価数とは、試験色を、試料光源と基準光で照明したときの色ずれの大きさを数値化したもので、基準光で見た時を100とし、色ずれが大きくなるに従って数値が小さくなる。平均演色評価数(Ra)は、基準光No.1〜8の演色評価数値の平均値として表される。
CIE(国際照明委員会)による演色評価数の基準において、望ましい平均演色評価数は、次の通りである。
Ra≧90・・・色比較・検査、臨床試験、美術館。
90>Ra≧80・・・住宅、ホテル、レストラン、店舗、オフィス、学校、病院など。
80>Ra≧60・・・一般的作業の工場。
主波長とは、特定の無彩色刺激と適当な比率で加法混色することによって、試料色刺激に等色するような単色光刺激の波長(JIS Z8105)とする。
本発明に使用するLED素子としては、樹脂(蛍光体を混合した透明樹脂)を劣化させる紫外光を発光するものより、可視光を発光するものを用いる方が望ましい。視感効率(人間の目の感度)は、550nm程度にピークがあるため、LED素子の主ピークも550nmに近いほうが視覚効率が良くなる。このため、本発明に使用するLED素子としては、照明器具に使われるLEDの長寿命化、また発光効率のために、LED素子の発光スペクトルの主ピークを可視光の範囲内とすることが望ましい。
一般的には、消費電力の関係から、抵抗は用いずに、パルス状に点灯と消灯を繰り返し、その点灯している時間の比率によりLEDの明るさの調整を行う。その場合には、点灯と消灯の比率を変化させることにより色の変化が可能になる。しかし、あまりに消灯時間が長い場合(青色LEDと黄色LEDの点灯時間の差が大きい場合)には、混色がうまくいかなくなる。
自然昼光や照明用の人工光源等の色度座標は、すべて黒体軌跡の近傍にある。そこで、光源の色度を黒体の色度と関連づけて表す。ある光源色の色度が絶対温度T[K]の黒体の色度に完全に一致するとき、その光源色の色温度はT[K]であるという。ほとんどの光源色は黒体の色度に近似していても完全には一致しない。このような場合を、色温度ではなく相関色温度という。相関色温度の計算は、JIS Z8725を参照。
本発明に使用する蛍光体としては、LED素子のごく近い部分に配置されるために、LED素子から光の照射に長時間耐えられる耐候性が必要である。また、LED素子のごく近い部分に配置されることから、LED素子の発熱により温度変化の影響を受けるために、温度特性(特に温度による光量と色度の変化)が小さいことが必要である。特に、実施例における青色LEDにおいては、駆動電流を変化させるため、駆動電流に応じてLED素子の発熱が変化するために、温度特性が小さい必要がある。また、蛍光体はLED素子によって励起されるために、LED素子の発光により効率よく励起されるものがよい。視感効率を上げるためには、可視光域で発光するLED素子を用いるのがよいため、可視光域で光るLED素子で効率よく励起される蛍光体が好ましい。さらに、複数の蛍光体を用いる場合には、それぞれの励起光率の良い波長が同様な波長域であったほうが発光効率が良くなる。
本発明における色温度の変化する照明器具は、実現できる色温度変化と光量変化が非常に重要となる。心理的には、色温度が高い場合には、明るすぎるとは感じず、暗いと不快になり、また、色温度が低い場合には、明るすぎると不快になるために、色温度変化と光量変化が同時に適切な範囲で変化しないと、心理的に不快な照明器具となってしまい、実用的なものではなくなってしまう。そのため、色温度が低い場合には暗く、色温度が高い場合に明るくなる照明器具を実現する必要がある。
青色LEDと黄色LEDのそれぞれの分光スペクトルを測定する。それぞれの分光スペクトルから3刺激値(JIS Z8724参照)を求める(3刺激値XYZは、それぞれ赤、緑、青の刺激値となる)。それぞれの3刺激値のなかのZに青色LEDと黄色LEDの放射束比を乗じた値を下記表1の範囲から実現できる範囲が求められる(ただし、黒体輻射軌跡からのずれが大きい場合には、誤差が大きくなる。)。放射束はJIS Z8113参照。
蛍光体にアルファサイアロンを用いた色温度の低いLED(以下、電球色LEDと記す。)と蛍光体にベータサイアロンを用いた色温度の高いLED(以下、緑色LED)を用いた。これらの蛍光体は公知の材料である。
アルファサイアロン黄色蛍光体は、特許第3668770号公報(発明の名称:「希土類元素を付活させた酸窒化物蛍光体」)、及び、Rong-Jun Xie et al., Appl. Phys. Lett., Vol.84, pp-5404-5406に開示されている。
ベータサイアロン緑色蛍光体は、Naoto Hirosaki et al., Appl. Phys. Lett., Vol.86, 211905に開示されている。
昼光色にするためには、Z値×放射束比=107以上が必要なので(表1参照)、緑色LEDは(30×A+177×B)÷(A+B)>107であるから、B>1.1Aとなる。よって、緑色LEDの定格での放射束が電球色LEDの定格での放射束の1.1倍以上であれば、電球色LED1個に対して、緑色LEDが1個の組み合わせで昼光色までの範囲が実現できることになり、実際の放射束比も1.4倍程度であるので、昼光色まで実現可能と試算される。
この組み合わせの場合には、緑色LEDの電流値が2mA程度でも電球色範囲が実現できるために、前述のような可変抵抗を用いた回路においては、可変抵抗の最大抵抗値をそれほど大きくせずに済むというメリットがある。
蛍光体にアルファサイアロンを用いた色温度の低いLED(電球色LED)と、蛍光体にアルファサイアロンとベータサイアロンを用いた色温度の高いLED(以下、昼光色LEDと記す。)を用いた。
それぞれのLEDの色度を図9に示す。なお、昼光色LEDは青色LED素子にアルファサイアロンとベータサイアロンを使用し、各蛍光体の比率を調整して作製した。電球色LEDのZ値は23で、昼光色LEDのZ値は101である。また、放射束比は、電球色LEDを1とすると、昼光色LEDは1.2であった。
1個対1個の場合で計算すると、(13×1+101×1.2)÷(1+1)=65.5となり、表1から白色の中心までは達しない程度であることがわかる。
測定結果を図11に示す。図11中のそれぞれの点は、青色LED素子の定格電流20mAに対して、電球色LEDを20mAで駆動し、電球色LEDの2倍の昼光色LEDの電流値を0〜20mAまで変化させた結果である。図11の一番右の点が、昼光色LEDの電流が0mA(不点灯)の状態である。
Claims (5)
- 発光ダイオード素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを有する発光ダイオード、又は発光ダイオード素子のみを発光源とする発光ダイオードを回路基材に複数個実装してなる照明器具において、
色温度の高い発光ダイオードと、それよりも色温度の低い発光ダイオードとを対として組み合わせて回路基材に実装し、且つ少なくとも片方の発光ダイオードの光出力を変更する電源回路を有し、前記光出力を変更することで、昼光色、昼白色、白色、温白色及び電球色からなる群から選択される複数の白色を発光可能としたことを特徴とする照明器具。 - 色温度の高い発光ダイオードの色度が、CIE1931xy色度図上の昼光色範囲上端の座標0.3274,0.3673と電球色範囲下端の座標0.4594,0.3971の2点を通る第1の直線と、昼光色範囲下端の座標0.3064,0.3091と電球色範囲上端の座標0.4338,0.4185の2点を通る第2の直線との間の領域であって、且つ昼光色範囲と該色度図における昼光色よりも左側の領域に存在することを特徴とする請求項1に記載の照明器具。
- 色温度の低い発光ダイオードの色度が、CIE1931xy色度図上の昼光色範囲上端の座標0.3274,0.3673と電球色範囲下端の座標0.4594,0.3971の2点を通る第1の直線と、昼光色範囲下端の座標0.3064,0.3091と電球色範囲上端の座標0.4338,0.4185の2点を通る第2の直線との間の領域であって、且つ電球色範囲と該色度図における電球色よりも右側の領域に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載の照明器具。
- 色温度の低い発光ダイオードと色温度の高い発光ダイオードとが、それぞれ青色発光ダイオード素子とその発光により励起され異なる波長の光を発する蛍光体とを組み合わせた発光ダイオードであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の照明器具。
- 複数の発光ダイオードから発せられる混色光の色温度が高くなるに従い該混色光の光量が増す構成としたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の照明器具。
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