JP5654378B2 - 発光装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光源として複数の固体発光素子を用いた発光装置に関する。
発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）は、低電力で高輝度の発光が可能であり、表示等や照明器具等の様々な電気機器の光源として使用されている。近年では、赤色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤに加えて、青色ＬＥＤが実用化され、これらＲＧＢ３色のＬＥＤを組み合わせることにより、様々な光色を発光させることができるようになった。このように、発光色が異なる複数のＬＥＤ光源を用い、それらの光量を相補的に制御して、混色光の色度を変化させる発光装置がある。
この種の発光装置において、各ＬＥＤ光源の色度ばらつき範囲が大きいと、混色光の色ばらつきも大きくなってしまい、製造された発光装置毎に光色の相違が生じてしまうことがある。そこで、白色光以外の光色の光を出射する光源に、樹脂製キャップを被覆し、発光色を一旦、白色に変換し、更にカラーフィルタを被覆することにより、所望の色光を照射するようになした照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この照明装置によれば、光源を同一色のものに限定する必要がないので、光源の入手を容易にすることができる。
しかしながら、上記特許文献１に記載の照明装置においては、白色光以外の光色の光を一旦、白色に変換するので、変換時に光の一部が損失してしまい、発光効率が低下する虞がある。特に、白色光と大きく異なる発光スペクトルを有する光を出射させる場合は、白色に変換するために、樹脂製キャップに含有させる蛍光体の濃度を高くする必要があり、発光効率が著しく低下することがある。しかも、ＲＧＢ３色のＬＥＤを組み合わせて白色光を出射する場合には、白色に変換された光を別の光色に変換させるので、２重の波長変換が必要となり、光エネルギーの無駄が多い。
本発明は、上記課題を解決するものであり、混色光の色度ばらつきを抑制することができ、しかも発光効率が良い発光装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る発光装置は、青色光を出射するＬＥＤチップ及び該ＬＥＤチップからの光を黄色光に変換する黄色蛍光体を含み前記青色光及び黄色光の混色により白色光を出射する光源を有する白色発光部と、前記白色光を出射する光源と該光源からの光を赤色光に変換する赤色蛍光体を含む赤色被覆部材とを有する赤色発光部と、前記白色光を出射する光源と該光源からの光を緑色光に変換する緑色蛍光体を含む緑色被覆部材とを有する緑色発光部と、前記白色発光部、赤色発光部及び緑色発光部を夫々点灯駆動させる駆動ドライバと、を備えることを特徴とする。
上記発光装置において、前記白色発光部は、白色光の色度範囲を調整する調整被覆部材を有することが好ましい。
本発明によれば、白色光を出射する光源に夫々赤色被覆部材及び緑色被覆部材を被覆させて赤色発光部及び緑色発光部を成しているので、それらの出射光の色度ばらつきを抑制することができる。従って、それらと白色発光部の出射光との混色光において、色度ばらつきを抑制することができる。また、白色発光部は、白色光を出射する光源をそのまま用いることができるので、被覆部材等による光の損失が少なく、発光効率を良くすることができる。
本発明の一実施形態に係る発光装置について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、発光色が異なる複数の発光部２（２Ｗ、２Ｒ、２Ｇ）を有する。発光部２の光源としては、白色光を出射する発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）ユニット２０が用いられる。発光部２は、図１に示すように、白色光を出射するＬＥＤユニット２０を有する白色発光部２Ｗと、赤色光を出射する赤色発光部２Ｒと、緑色光を出射する緑色発光部２Ｇと、から構成される。赤色発光部２Ｒは、ＬＥＤユニット２０からの光を赤色光に変換する赤色蛍光体を含む赤色被覆部材３Ｒを有する。緑色発光部２Ｇは、ＬＥＤユニット２０からの光を緑色光に変換する緑色蛍光体を含む緑色被覆部材３Ｇを有する。白色発光部２Ｗには、ＬＥＤ２０の出射光の色度に応じて、適宜に、白色光の色度範囲を調整する調整被覆部材６が備えられる。また、発光装置１は、白色発光部２Ｗ、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇを夫々点灯駆動させる駆動ドライバ４を備える。
本例では、白色発光部２Ｗを２個、赤色発光部２Ｒを４個、緑色発光部２Ｇを２個備えた構成を示す。また、２個の白色発光部２Ｗのうち、一方のみが調整被覆部材６を備えている。駆動ドライバ４が回路基板５の中央領域に配置され、白色発光部２Ｗ、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２ＧのＬＥＤ２０は、駆動ドライバ４を囲うように回路基板５上の所定位置に夫々実装される。駆動ドライバ４には、発光色の異なる各発光部２Ｗ，２Ｒ，２Ｇに夫々対応した少なくとも３系統の出力端子が設けられている。また、回路基板５には、同じ発光色の発光部２同士を同一系統として駆動ドライバ４の出力端子と電気的に接続されるように、配線回路７Ｗ，７Ｒ，７Ｇが夫々形成されている。このように構成された発光装置１は、好ましくは照射光の色温度を制御することができる照明器具（不図示）に組み込まれる。
回路基板５は、汎用の発光モジュール用の基板であり、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の電気絶縁性を有する金属酸化物（セラミックスを含む）、金属窒化物、又は金属、樹脂、ガラス繊維等の材料から構成される。回路基板５の外周縁には、複数の貫通孔５１が形成されており、この貫通孔５１に相通された固定ネジ５２によって、発光装置１が照明器具の器具本体（不図示）に固定される。
ＬＥＤユニット２０は、図２（ａ）に示すように、ＬＥＤチップ２１と、ＬＥＤチップ２１を保持するサブマウント部材２２と、サブマウント部材２２を介してＬＥＤチップ２１が実装される実装基板２３とを備える。ＬＥＤチップ２１は、蛍光体を含有する被覆樹脂２４によって被覆されている。また、実装基板２３には、ＬＥＤチップ２１及びサブマウント部材２２を覆うように、ドーム形状の透光性カバー２５が設けられる。また、透光性カバー２５と実装基板２３との間には、封止材２６が充填される。
ＬＥＤチップ２１には、青色光を放射するＧａＮ系青色ＬＥＤチップを用いることが好ましく、矩形状に形成されたチップの一表面側にアノード電極及びカソード電極（不図示）が形成される。なお、ＬＥＤチップ２１の構造は、特に限定されるものではなく、例えば、アノード電極及びカソード電極が夫々異なる面に形成されていてもよい。被覆樹脂２４には、例えば、シリコーン樹脂等の透光性樹脂に、ＹＡＧ系黄色蛍光体が含有されたものが用いられる。被覆樹脂２４に被覆されたＬＥＤチップ２１は、ＬＥＤチップ２１からの青色光と、この青色光を黄色蛍光体で波長変換した黄色光とを混色させることにより、白色光を出射することができる。なお、黄色蛍光体を含む被覆樹脂２４に換えて、封止材２６に黄色蛍光体を含有させてもよい。透光性カバー２５及びは封止材２６は、シリコーン樹脂等の透光性樹脂から形成され、これらは同一材料又は同一の屈折率を有する材料か構成されることが好ましい。
サブマウント部材２２は、ＬＥＤチップ２１のチップサイズよりも大きなサイズになるように形成された矩形板状の部材であり、熱伝導率が高く、絶縁性を有する材料から構成される。また、サブマウント部材２２は、ＬＥＤチップ２１のアノード電極及びカソード電極と、ボンディングワイヤ（不図示）等を介して電気的に接続される電極パターン（不図示）が形成されている。サブマウント部材２２の実装面は、光反射性又は拡散反射性を有するように構成されていてもよい。ＬＥＤチップ２１とサブマウント部材２２とは、例えば、半田や、銀ペースト等により接合される。
実装基板２３は、サブマウント部材２２よりも更に大きなサイズの矩形板状部材であり、サブマウント部材２２の電極パターンと接続される導電パターン（不図示）を有するプリント配線板が用いられる。導電パターンは、サブマウント部材２２の電極パターンとの接続部及び外部接続用電極部（不図示）を除き、絶縁性を有する保護層（不図示）に覆われている。また、実装基板２３は、サブマウント部材２２の周縁と接触し、この接触箇所から外周方向へ伝熱層（不図示）が延設され、ＬＥＤチップ２１からの熱を、サブマウント部材２２及びこの伝熱層を介して放熱できるように構成される。ＬＥＤチップ２１及びサブマウント部材２２が実装基板２３上に実装された後、これらを覆うように実装基板２３上に透光性カバー２５が、シリコーン樹脂又はエポキシ樹脂等の接着剤（不図示）によって固定される。
上述したＬＥＤユニット２０は、モジュール化された既製品として市場から入手することができる。米国で規定されたＬＥＤ色度規定（ＡＮＳＩ規格）は、実質的な世界標準となっており、この規定に準じたＬＥＤユニットは、色度のばらつきが黒体放射軌跡から所定の範囲内に収まるように構成されている。従って、ＬＥＤチップ２１や被覆樹脂２４等を独自に作成、調整等するよりも、上記規定に準じたＬＥＤユニットを市場から入手して用いることが、発光装置１の製造効率の観点において好適である。
ＬＥＤユニット２０においては、ＬＥＤチップ２１から出射された光が、被覆樹脂２４及び封止材２６を透過して、白色光として透光性カバー２５から出射される。この白色光の色度が、後述するように、所定の色度範囲内にあれば、ＬＥＤ２０が、そのまま白色発光部２Ｗとして用いられる。一方、ＬＥＤユニット２０からの白色光の色度が、所定の色度範囲内になければ、上述したように、色度範囲を調整する調整被覆部材６（図１参照）が設けることによって白色発光部２Ｗが構成される。
調整被覆部材６は、シリコーン樹脂等の透光性樹脂に、赤色蛍光体（例えば、ＣＡＳＮ蛍光体（ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕ等））又は緑色蛍光体（例えば、ＣＳＯ蛍光体（ＣａＳｃ２Ｏ４：Ｃｅ等））を所定濃度含有させた材料から構成される。調整被覆部材６は、上記蛍光体を含有する樹脂材料を、透光性カバー２５との間に僅かに隙間が設けられるように、ドーム形状に形成されることにより作成される。
赤色発光部２Ｒは、図２（ｂ）に示すように、上述したＬＥＤユニット２０と同じものに、赤色被覆部材３Ｒを設けることにより作成される。赤色被覆部材３Ｒは、上記調整被覆部材６と同様の透光性樹脂に、赤色蛍光体（例えば、ＣＡＳＮ：３０ｗｔ％）を含有させた材料を用いて、上記調整被覆部材６と同様の形状に形成されることにより作成される。緑色発光部２Ｇは、図２（ｃ）に示すように、ＬＥＤユニット２０に、透光性樹脂に緑色蛍光体（例えば、ＣＳＯ３０ｗｔ％）を含有させた緑色被覆部材３Ｇを設けることにより、赤色発光部２Ｒと同様にして作成される。
図３は、上述のようにして作成された白色発光部２Ｗ、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇからの出射光の色度を示す。ＬＥＤユニット２０として、ＡＮＳＩ規格に準じたＬＥＤユニットを用いた場合、ユニット毎に白色光の色度が、黒体放射軌跡から所定の範囲内でばらつく。ＬＥＤユニット２０（白色発光部２Ｗ）からの白色光の色度を、図中の白抜き四角印（□）に示す。このとき、白色光の色度のばらつきは、同図の２Ｗで示す範囲に収まる。また、ＬＥＤユニット２０に赤色被覆部材３Ｒを設けて作成された赤色発光部２Ｒからの出射光の色度を、図中の白抜き丸印（○）に示す。これと同様に、ＬＥＤユニット２０に緑色被覆部材３Ｇを設けて作成された緑色発光部２Ｇからの出射光の色度を、図中の黒塗り三角印（▲）に示す。これら赤色光及び緑色光の色度は、夫々同図の２Ｒ，２Ｇで示す範囲に収まる。なお、白色発光部２Ｗ、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇの混色光の色度を、白抜き菱形印（◇）に示す。
赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇの作成に際しては、光源となるＬＥＤユニット２０からの白色光の色度に応じて、赤色被覆部材３Ｒ又は緑色被覆部材３Ｇに含有させる蛍光体の含有量又は混合比率等を調整することができる。従って、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇは、出射光の色度のばらつく範囲を、ＬＥＤユニット２０（白色発光部２Ｗ）からの白色光の色度のばらつきに比べて、小さくすることができる。このように、発光装置１は、白色光を出射するＬＥＤユニット２０に夫々赤色被覆部材３Ｒ及び緑色被覆部材３Ｇを被覆させて赤色発光部及び緑色発光部を成しているので、それらの出射光の色度ばらつきを抑制することができる。従って、それらと白色発光部２Ｗの出射光との混色光において、色度ばらつきを抑制することができる。
しかしながら、ＬＥＤユニット２０は、上述したように、白色光の色度が所定範囲でばらつく。赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇの色度のばらつきが少なくても、白色発光部２Ｗの色度が広い範囲にばらつくと、これらの混色光の色度は、正確には所望の色度とならず、また、製造された発光装置毎に色度が僅かながら相違することがありえる。そこで、図４に示すように、白色発光部２Ｗに用いられるＬＥＤユニット２０のうち、白色光の色度が、所定の色度範囲ｂ６に収まるものは、そのまま白色発光部２Ｗとして用い、色度範囲ｂ５に収まるものには、上述した調整被覆部材６を被せて、調整被覆部材６からの出射光の色度を、所定の色度範囲ｂ６にシフトさせる。その結果、白色発光部２Ｗの色度のばらつく範囲を、色度範囲ｂ６に収めることができる。
図５は、上述のようにして作成された複数の発光装置１において、白色発光部２Ｗ、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇを夫々点灯駆動させて、出射光（混色光）の色温度が２８００Ｋとなるように制御させたときの、出射光の色度の分布を示す。白色発光部２Ｗに調整被覆部材６を用いていない場合、出射光の色度は、図中の破線で示される範囲に分散した。一方、調整被覆部材６を適宜に用いた場合、出射光の色度は、図中の実線で示される範囲に集中した。このときの、出射光の色度ばらつきの偏差（Δｘ，Δｙ）は（０．０１２３，０．００８２）の範囲に収まり、相対色温度の偏差（Δ１６４Ｋ）の範囲に収まった。また、調整被覆部材６を適宜に用いた場合の色度ばらつきは、調整被覆部材６を用いなかった場合の４１％に収まった。
図６は、上記と同様に、発光装置１の出射光の色温度が５０００Ｋとなるように制御させたときの、装置毎の出射光の色度の分布を示す。白色発光部２Ｗに調整被覆部材６を適宜に用いたときの、出射光の色度ばらつきの偏差（Δｘ，Δｙ）は（０．０２０４，０．０２３８）の範囲に収まり、相対色温度の偏差（Δ６２３Ｋ）の範囲に収まった。また、調整被覆部材６を適宜に用いた場合の色度ばらつきは、調整被覆部材６を用いなかった場合の５２％に収まった。
本実施形態の発光装置１によれば、白色発光部２Ｗに用いられるＬＥＤユニット２０の出射光の色度に応じて、調整被覆部材６を用いる又は用いないことを適宜に選択することにより、白色発光部２Ｗからの白色光の色度ばらつきを小さくすることができる。また、この白色発光部２Ｗと、赤色発光部２Ｒ及び緑色発光部２Ｇとを組み合わせ、それらを個別に点灯駆動することにより、発光装置１は、所望の色温度の混色光を出射することができ、しかも、製品毎の混色光の色度ばらつきもを抑制することができる。
また、ＬＥＤユニット２０の出射光の色度が所定の範囲にあるものは、調整被覆部材６を用いることなく、そのまま白色発光部２Ｗとして用いられる。この場合、白色発光部２Ｗは、白色光を出射するＬＥＤユニット２０をそのまま用いているので、被覆部材等による光の損失が少なく、発光装置１の発光効率を良くすることができる。また、調整被覆部材６を用いることにより、所望の色度範囲に含まれないＬＥＤユニット２０であっても、発光装置１の製造に無駄なく用いることができ、また、ＬＥＤユニット２０の入手を容易にすることができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えが、ＬＥＤユニット２０の色度が、所定の色度範囲に含まれないものを、蛍光体による色度の調整が容易な赤色発光部２Ｒ又は緑色発光部２Ｇに優先的に用いてもよい。こうすれば、色度が所定範囲（図４のｂ６参照）に含まれるＬＥＤユニット２０を優先的に白色発光部２Ｗに用いることができ、この場合、調整被覆部材６が不要となるので、発光装置１における発光効率をより向上させることができる。
１ 発光装置
２ 発光部
２Ｗ 白色発光部
２Ｒ 赤色発光部
２Ｇ 緑色発光部
２０ ＬＥＤユニット（光源）
３Ｒ 赤色被覆部材
３Ｇ 緑色被覆部材
４ 駆動ユニット
６ 調整被覆部材
２ 発光部
２Ｗ 白色発光部
２Ｒ 赤色発光部
２Ｇ 緑色発光部
２０ ＬＥＤユニット（光源）
３Ｒ 赤色被覆部材
３Ｇ 緑色被覆部材
４ 駆動ユニット
６ 調整被覆部材
Claims (2)
- 青色光を出射するＬＥＤチップ及び該ＬＥＤチップからの光を黄色光に変換する黄色蛍光体を含み前記青色光及び黄色光の混色により白色光を出射する光源を有する白色発光部と、
前記白色光を出射する光源と該光源からの光を赤色光に変換する赤色蛍光体を含む赤色被覆部材とを有する赤色発光部と、
前記白色光を出射する光源と該光源からの光を緑色光に変換する緑色蛍光体を含む緑色被覆部材とを有する緑色発光部と、
前記白色発光部、赤色発光部及び緑色発光部を夫々点灯駆動させる駆動ドライバと、を備えることを特徴とする発光装置。 - 前記白色発光部は、白色光の色度範囲を調整する調整被覆部材を有することを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
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