JP5169405B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
本発明に関連する技術を開示する文献として、特許文献2及び特許文献3、特許文献4を参照されたい。
一つの理由として、短波長光を放出するLEDチップを樹脂製の封止部材で被覆すると、LEDチップからの短波長光により封止部材自体が黄変し、出力低下・耐久性低下の原因となる。ここに樹脂製の封止部材を採用するのは、その中に蛍光体を分散可能であり、その取扱いが容易であるからである。
他の理由として、LEDチップの光出射側に蛍光体を高密度に配置すると、蛍光体の粒子自体が光を遮蔽し、外部への光取出し効率を低減するおそれがある。これは、蛍光体をLEDチップに近づければ近づける程問題になり、特に、LEDチップの出力を高くすると蛍光体自体による光遮蔽の影響が大きくなる。
反射面に蛍光体層が形成されている第1の反射板と、
該第1の反射板へ光を照射する半導体発光素子と、を備え、
前記半導体発光素子からの光は前記第1の反射板の反射面で反射されるとともに、前記蛍光体層で波長変換される、ことを特徴とする照明装置。
また、蛍光体を半導体発光素子の光出射側近傍に充填する必要がないので、半導体発光素子を封止材のない状態で設置できる。また、ガラス材で被覆することもできる。ガラス材は短波長光にも安定であり黄変することがないので、照明装置として高い出力を長期間、安定して確保できる。
第1の局面の照明装置において、前記第1の反射板は前記照明装置の光軸方向に向いており、
該第1の反射板に対向する第2の反射板が更に供えられ、
前記半導体発光素子は前記第2の反射板に対向配置され、
前記半導体発光素子から放出された光は、前記第2の反射板で前記第1の反射板側へ反射され、更に該第1の反射板で前記光軸方向へ反射されるとともに、前記第1の反射板に形成された蛍光体層で波長変換される、ことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
このように規定される第1の局面の照明装置によれば、第2の反射板を供えることにより、半導体発光素子と第1の反射板の蛍光体層との間に距離を確保できる。それとともに、半導体発光素子と第1の反射板とをコンパクトな構成として一体化可能となる。
第2の局面の照明装置において、前記第1の反射板の中央部分は熱伝導率の高い材料からなるベース部材で形成されて、該ベース部材に前記半導体発光素子がマウントされている。
このように規定される第3の局面の照明装置によれば、熱伝導率の高いベース部材に半導体発光素子をマウントしたので、半導体発光素子の出力が大きくなってもこれから充分に熱引きすることができる。よって、高出力の半導体発光素子を安定して発光させることができる。
また、ベース部材と第1の反射板とが一体となっているので、半導体発光装置から発生する熱がベース部材から第1の反射板に伝達される結果として、ベース部材と第1の反射板の全体から空気中へ放熱されることとなる。従って、放熱性が非常に良好となり、高出力・高信頼な照明装置が実現できる。特に、第1の反射板の中央部分にベース部材を配置することにより、ベース部材及び第1の反射板からの放熱が偏在することを防止でき、放熱効率が最良となる。
放熱効率が向上した結果として、第1の反射板に形成される蛍光体層の蛍光体温度を低くすることが可能になる、これにより、蛍光体が効率よく蛍光作用を奏することができる。また、第1の反射板に形成される蛍光体層は蛍光体の粒子密度を低くすることができるため、外部への光取出し効率の高い、高出力の照明装置が実現できる。
第3の局面の照明装置において、前記ベース部材から前記第2の反射板が立設されている。
第2の反射板は第1の反射板へ対向しているので、第2の反射板が対向する部分において第1の反射板は遮蔽され、反射面として機能しない。従って、第2の反射板に対向する部分をベース部材として、かつこのベース部材から第2の反射板を立設させることにより、第1の反射板の有効反射面を可及的に広く取ることができる。
第4の局面の照明装置において、前記半導体発光素子は前記ベース部材と前記第2の反射板との間に配置される。
このように規定される第4の局面の照明装置によれば、半導体発光素子が第2の反射板とベース部材との間に挟まれる。これにより、半導体発光素子から放射される光が直接外部へ漏れ出ることを防止し易くなる。短波長光はエネルギーが高いのでその外部漏出を確実に防止することが好ましい。
第1〜第5の局面の照明装置において、前記第1の反射板には第1の蛍光体層と第2の蛍光体層が形成され、前記半導体発光素子の点灯時に前記第1の蛍光体層と第2の蛍光体層とが異なる色で蛍光する。
ここにおいて、第1の反射板へ第1及び第2の蛍光体層を区画して形成したときにも、各蛍光体層から放出される光は混合されて、第1の反射板としてみたときは全体で所望の発光色になることが好ましい。そのためには、第1の蛍光体層と第2の蛍光体層の幅を狭くして、各層から放出された光の混合を促進する。
また、第1の蛍光体層及び第2の蛍光体層をそれぞれ第1の蛍光体材料と第2の蛍光体材料との混合材料製とし、両者の混合比に変化を持たせることで、第1の蛍光体層と第2の蛍光体層とを区画するようにしてもよい。これにより、第1の蛍光体層と第2の蛍光体層との区画はいわゆるボヤケタ状態となるが、各蛍光体から放出される光の混合は促進される。
以上、2種類の蛍光体材料を用いる例を説明してきたが、3種類以上の蛍光体層を形成できることはいうまでもない。
また、各蛍光体層の形状は任意に設計することができ、例えば、各蛍光体層で文字、図形、シンボル、その他の模様等を形作ることができる。
第1〜第6の局面で規定される照明装置において、前記半導体発光素子から放出された光であって、前記第2の反射板から外れた光の全部が前記第1の反射板で光軸方向へ反射される。
このように規定される第6の局面の照明装置によれば、半導体発光素子から放出された光の全てが第1の反射板に捕捉され、そこで波長変化されて外部へ反射される。その結果、発光効率が向上する。また、半導体発光素子から放出される光が化学作用の強い短波長光である場合に、当該短波長光の漏洩を防止できる。
第1〜第6の局面で規定される照明装置において、前記第1の反射板の周縁が、前記半導体発光素子と前記第2の反射板の周縁との仮想延長線上に位置する。
このように規定される第8の局面の照明装置によれば、半導体発光素子から放出された光の全てが第1の反射板に捕捉されることとなり、第7の局面と同様の作用、効果を奏する。
第1の局面で規定される照明装置において、前記第1の反射板に対して前記半導体発光素子は離隔して別体で配置され、前記半導体発光素子から前記第1の反射板へ向けて放出される光の軸と前記第1の反射板で反射される光の軸とが異なる向きである。
このように規定される第9の局面の照明装置によれば、第1の局面で規定される照明装置と同様の作用が得られるとともに、半導体発光素子と第1の反射板とを別体としてので、照明装置の設計自由度が向上する。
第9の局面で規定される照明装置において、前記第1の反射板は凹面鏡であり、前記半導体発光素子の光はレンズ部を介して前記第1の反射板のみへ照射される。
このように規定される第10の局面の照明装置によれば、半導体発光素子からの光は全て第1の反射板へ照射されて、反射ないし波長変換されるので、半導体発光素子からの光の利用効率が最大となる。また、半導体発光素子からの光の外部に対する影響を未然に防止できる。
第10の局面で規定される照明装置において、前記半導体発光素子を中心として前記凹面鏡がその周囲に、連続的に又は間欠的に配置される。
このように規定される照明装置は凹面鏡形状の第1の反射板を半導体発光素子の周囲に配置する構成をとるため、広い範囲の照明に適したものとなる。
図1は実施の形態の照明装置1の側面図であり、図2は図1に於けるII-II線断面図である。
この照明装置1は短波長系のLEDチップ3,傘10,反射ブロック20を備えてなる。
半導体発光素子としてのLEDチップ3の種類は特に限定されるものではなく、任意の構成のものを採用することができる。例えば、III族窒化物系化合物半導体層を備えるLEDチップを用いることができる。III族窒化物系化合物半導体は、一般式としてAlXGaYIn1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦1)で表され、AlN、GaN及びInNのいわゆる2元系、AlxGa1−xN、AlxIn1−xN及びGaxIn1−xN(以上において0<x<1)のいわゆる3元系を包含する。III族元素の少なくとも一部をボロン(B)、タリウム(Tl)等で置換しても良く、また、窒素(N)の少なくとも一部もリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換できる。LEDの素子機能部分は上記2元系若しくは3元系のIII族窒化物系化合物半導体より構成することが好ましい。
III族窒化物系化合物半導体は任意のドーパントを含むものであっても良い。n型不純物として、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、セレン(Se)、テルル(Te)、カーボン(C)等を用いることができる。p型不純物として、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、ベリリウム(Be)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等を用いることができる。なお、p型不純物をドープした後にIII族窒化物系化合物半導体を電子線照射、プラズマ照射若しくは炉による加熱にさらすことができるが必須ではない。
III族窒化物系化合物半導体は、有機金属気相成長法(MOCVD法)のほか、周知の分子線結晶成長法(MBE法)、ハライド系気相成長法(HVPE法)、スパッタ法、イオンプレーティング法などによっても形成することができる。
III族窒化物系化合物半導体層を成長させる基板の材質はIII族窒化物系化合物半導体層を成長させられるものであれば特に限定されないが、例えば、サファイア、窒化ガリウム、スピネル、シリコン、炭化シリコン、酸化亜鉛、リン化ガリウム、ヒ化ガリウム、酸化マグネシウム、酸化マンガン、III族窒化物系化合物半導体単結晶などを基板の材料として挙げることができる。中でも、サファイア基板を用いることが好ましい。
LEDチップ3を複数個用いることもできる。その場合には、同種類のLEDチップを組み合わせることはもちろんのこと、異なる種類のLEDチップを複数組み合わせても良い。
LEDチップのモールド材料がないため、若しくはモールド材がガラスであるため、従来問題となるモールド材の劣化による着色によって発光装置の光出力の経時劣化が生じず、非常に高寿命の発光装置が実現できる。また、反射面に蛍光体を分散させた樹脂層をコーティングした場合にも、光は反射面全体に分散しているため、光強度としては小さく、樹脂の劣化は殆ど起こらない。この際の封止樹脂としては高耐光性・高耐熱性を有するシリコーン樹脂を用いることが好ましい。
ベース部材11は鋼材その他の金属板を用いて形成することが好ましい。熱伝導率の高い金属材料を使用することにより、ベース部材11にマウントされるLEDチップ3の発光に伴う熱を外部へ放出し、LEDチップ3に高い出力を確保するためである。ベース部材にはLEDチップ3を駆動するための電源回路及び制御回路を配設することもできる。
反射部材14及びベース部材11の形状、即ち傘10の形状は照明装置の目的・用途に応じて任意に設計することができる。また、反射部材14の基板としてベース部材11の基板を一体とすることもできる。ベース部材11と反射部材14とを別体とすることもできる。
LEDチップ3がオフのときは、即ち、自然光下では各半導体層は白色であり、反射面15も全体として白色となる。
勿論、各蛍光体層(B層、Y層及びR層)の蛍光材料を均一に混合してもよい。その場合は、反射層15はLEDチップ3のオン・オフにかかわらず、白色となる。
この実施例では、蛍光体の使用を削減するため、支柱22の影になる部分16には蛍光体を積層させていない。
またY層を形成する黄色系蛍光体として、一般式(Ba,Sr,Ca)2SiO4:Eu2+で表される蛍光体を好適に用いることができる。かかる蛍光体は、短波長光の光を黄色ないし黄緑色系の光に効率よく変換する。また、LEDチップに青色系発光素子を用いる場合は、一般式Y3−xGdxAl5−yGayO12:Ce(0≦x≦3、0≦y≦5)で表されるイットリウム・アルミニウム・ガーネット系蛍光体を好適に用いることができる。上記一般式において、イットリウム(Y)の一部又は全部をLu又はLaに置換したものを用いることもでき、また、アルミニウム(Al)の一部又は全部をIn又はScに置換したものを用いることもできる。
黄色系蛍光体として、(Ca0.49Mg0.50)3(Sc0.75Y0.25)2Si3O12.015:Ce3+、(Ca0.99)3Sc2Si3O12.015:Ce3+、(Ca0.49Mg0.50)3(Sc0.50Y0.50)2Si3O12.015:Ce3+、(Ca0.49Mg0.50)3(Sc0.50Lu0.50)2Si3O12.015:Ce3+、Ba2SiO4:Eu2+(オルトケイ酸塩)等を用いることもできる。
その他、緑色系蛍光体としては例えば、(Y,Ce)3(Al,Ga)5O12:Tb、BaMgAl10O17:Eu、Ba2MgSi2O7:Eu、(Sr,Ca,Ba)(Al,Ga)2S4:Eu、BaSiO4:Eu、YBO3:Ce,Tb、(Ca,Sr)p/2Si12−p−qAlp+qO1−qN:Ce、Ca8Mg(SiO4)4Cl2:Eu、SrAl2O4:Eu、SrAl14O25:Eu、(Ca0.99)3Sc2Si3O12.015:Ce3+、(Ca0.49Zn0.50)3Sc2Si3O12.015:Ce3+等を採用することができる。
以上は短波長光若しくは青色系光源に対して好ましい蛍光体の例を示しているが、LEDチップの発光色(発光波長)応じて蛍光体は適宜選択される。
反射面15の表面に、LEDチップからの光によって励起される光触媒層を形成してもよい。このように光触媒層を形成することにより、LEDチップからの光を受けて光触媒層の表面には活性なホールが発生するので、反射面15の表面が汚れるのを防止することができる。また、空気中の臭い成分を分解することもできるので、空気清浄器の機能を併せ持たせることが可能になる。このような光触媒としてはTiO2、TiO2−XNX等が挙げられる。
反射ブロック20の上面(LEDチップ対向面)には段差が形成されている。これにより、LEDチップ3からの光を均等に傘10の反射面15へ分配する。反射ブロック20の上面形状を曲面形状としてもよい。反射ブロック20の上面形状は、LEDチップからの光を、反射面15へ均等に分配できるよう設計される。
この反射ブロック20は樹脂製の基体部の表面へアルミ層を蒸着することにより形成される。反射ブロック20をアルミブロックで構成することも可能である。
反射面15へ到達した短波長光は、各蛍光体層を独自の色に発光させる。これにより、図3に示すとおり各蛍光体層が区画された状態で視認可能となる。
この照明装置101では、ベース部材11の中央(即ち、傘10の中央)から1本の支柱122で反射ブロック120が連結され、この支柱122の周囲にLEDチップ103が均等な間隔で配置されている。
かかる構成の照明装置101によれば、図1の構成と比べて、支柱の数が削減され、その結果、反射面15の全域へLEDチップ3からの光を均等に供給することができる。これにより、反射面15でのひかりムラを無くすることができる。
図中において符号203はLEDチップ、符号210は第1の反射板としての傘、符号220は第2の反射板としての反射ブロックである。この実施例では傘210及び反射ブロック220は光軸方向からみたとき円形な部材である。
LEDチップ203には前の実施例と同様に短波長LEDが採用され、ベース部材211にマウントされている。傘210の反射部材214の反射面215には短波長LEDに対応する蛍光体の層が形成されている。
反射ブロック220はその中心より延出した支柱222によりベース部材211の中心へ連結されている。
この支柱222の周囲にLEDチップ203が均等な間隔をとって配置されている。その結果、傘210、反射ブロック220とLEDチップ配列の各中心が一致している。
LEDチップ203から放出された光において反射ブロック220で反射されたものは傘210の反射面215へ向かい、当該反射面215で再反射される。
このように構成された反射装置201によればLEDチップ203から放出された短波長光の全てが反射面215へ到達し蛍光体層で波長変換される。従って、短波長光の漏洩を確実に防止できるとともに、発光効率が向上する。
例えば、照明装置201を下記のように仕様設計したとき、
(1)LEDチップ203
個数:6個、投入電流:700mA、投入電力:3W/LEDチップ
(2)傘210
外径寸法(直径):100mm、ベース部材211の外径寸法(直径):14.286mm、反射面15の面積:7213mm2
発光効率は70lm/W、光量は1260lmとなる。
この実施例では蛍光体が反射面215に広く分散されているので、蛍光体の粒子密度が非常に小さく、蛍光体自体による光の遮蔽は殆ど無視できる。したがって、LEDチップからの光が効率よく波長変換されて外部へ取り出される。
本発明者らの検討によれば、LEDチップの周囲に蛍光体を集中させる従来タイプの光源を使用する照明装置に比べて、上記仕様の照明装置ではその光取出し効率が約1.4倍となる。
図中において符号303はLEDチップ、符号310は第1の反射板としての傘、符号320は第2の反射板としての反射ブロックである。この実施例では、傘310は縦長な部材であり、これに対応して反射ブロック320も縦長な部材となる。
LEDチップ303は前の実施例と同様に短波長LEDが採用され、ベース部材311にマウントされている。傘310の反射部材314の反射面315には短波長LEDに対応する蛍光体の層が形成されている。
反射ブロック320はその中心に位置する支柱322によりベース部材311の中心に連結されている。この支柱322も反射ブロック320にそって連続体として形成される。支柱322の表面も鏡面化してLEDチップ303からの光を反射させることが好ましい。
この支柱322の両脇に、当該支柱322に沿うように、LEDチップ303が均等な間隔をとって配置されている。
LEDチップ303から放出された光において反射ブロック320で反射されたものは傘310の反射面315へ向かい、当該反射面315で再反射される。
このように構成された反射装置301によればLEDチップ303から放出された短波長光の全てが反射面315へ到達し蛍光体層で波長変換される。従って、短波長光の漏洩を確実に防止できるとともに、発光効率が向上する。
図11の照明装置401は、LED光源403、傘410及びスタンド部420を備えてなる。
LED光源403はLEDチップ404とこれを封止する封止部材405とを備えてなり、封止部材405の上部は凸レンズ状のレンズ部406となる。このLED光源403の点灯を制御する制御回路が筐体部408に配設されている。LED光源403からの光は、レンズ部406でその光路が制御され、傘410の反射面のみに照射される。
傘410は凹面鏡であり、その反射面415に蛍光体層を備えている。この傘410の構成は前の実施例の傘10と同様であり、蛍光体層として既述の図3(A)若しくは図3(B)の構成を採用することができます。また、図6に示すとおり、蛍光体の分布に有意な変化をもたせることもできる。
傘410は球の一部を切り取った形状であっても、また、図10に示す長尺形状であっても良い。
スタンド部420は基台部421とアーム部423とを備えている。基台部421の上面のほぼ中央にLED光源403が上向きに取り付けられている。傘410はアーム部423の先端においてLED光源403と対向して配置されている。アーム部423の先端と傘410との間には自在継手を介在させ、傘410の取付け角度を任意に変更可能とすることが好ましい。
このように構成された照射装置401によれば、半導体発光素子404から放出された光は封止部材405のレンズ部406で集光されて、傘401の反射面415のみへ照射される。LED光源部403から放出された光は当該反射面15において反射され、また反射面15の蛍光体層において波長変換される。これにより、傘410の光軸方向に所望の光が照射される。
この実施例では、LED光源403の筐体部408がリテーナ409を介して壁へ固定されている。アーム部523もその基端部が壁に固定され、その先端部に傘410を連結させている。
図13の例では、リテーナ409及びアーム部525が共に天井に固定されている。図13においても図11と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図14の例では、リテーナ609の周壁に4つLED光源403を配置させて光源部603が構成されている。各LED光源403の光軸は直交しており、各LED光源403の光軸にその中心部を一致させるように4つの傘410が配置されている。光源部603の中心から各傘410の中心までの距離は等しい。
LED光源403の数及び傘410の数は任意に選択できる。例えば、6つ若しくは8つの傘410を光源部の周囲に等間隔をあけて配置することができる。光源部603を傘410で隙間無く囲繞することもできる。
3、103 LEDチップ
10、410 傘
11 ベース部材
15 反射面
20、120 反射ブロック
22,122 支柱
Claims (7)
- 反射面に蛍光体層が形成されている第1の反射板と、
該第1の反射板へ光を照射する半導体発光素子と、を備える照明装置であって、
前記半導体発光素子からの光は前記第1の反射板の反射面で反射されるとともに、前記蛍光体層で波長変換され、
前記第1の反射板は前記照明装置の光軸方向に向いており、
該第1の反射板に対向し、反射面に蛍光体層を有さない第2の反射板が更に供えられ、
前記半導体発光素子は前記第2の反射板に対向配置され、
前記半導体発光素子から放出された光は、前記第2の反射板で前記第1の反射板側へ反射され、更に該第1の反射板で前記光軸方向へ反射されるとともに、前記第1の反射板に形成された蛍光体層で波長変換され、
前記第1の反射板の中央部分は金属材料からなるベース部材で形成されて、該ベース部材に前記半導体発光素子がマウントされ、
前記ベース部材から前記第2の反射板が立設され、
前記半導体発光素子から放出された光であって、前記第2の反射板から外れた光の全部が前記第1の反射板で前記光軸方向へ反射される、ことを特徴とする照明装置。 - 前記半導体発光素子は前記ベース部材と前記第2の反射板との間に配置される、ことを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記第2の反射板の前記半導体発光素子側の面には段差が形成されている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の照明装置。
- 前記第2の反射板の前記半導体発光素子側の面は曲面形状とされている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の照明装置。
- 前記第1の反射板には複数の種類の蛍光体層が形成され、前記半導体発光素子の点灯時に前記複数の種類の蛍光体層が異なる色に蛍光する、ことを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の照明装置。
- 前記半導体発光素子は短波長光又は青色光を放射するLEDチップであり、
前記半導体発光素子から放出された光は、前記複数の種類の蛍光体層によりそれぞれ波長変換され混合されることにより、白色光として放出される、ことを特徴とする請求項5に記載の照明装置。 - 前記第1の反射板の周縁が、前記半導体発光素子と前記第2の反射板の周縁との仮想延長線上に位置する、ことを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載の照明装置。
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