JP6293914B2 - Ｌｅｄモジュール及び照明装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施の形態は、LEDモジュール及び照明装置に関する。
近時、青色発光ダイオード（LED）チップと蛍光体を組合せて白色光を得る白色LED光源を備えた照明装置（以下、白色LED照明装置という）が普及してきている。白色LED照明装置は、従来の白熱電球に比べて消費電力が少ないなど種々の利点を備えているが、その反面、青色の発光ピークが高く、自然光に近い色合いの光を発光する白熱電球とはかなり異なる発光特性を有している。例えば、白熱電球では、電球の明るさを暗くなるように調整すると、タングステンフィラメントの発光特性により色温度が低下して、光は赤みの強い白色光になる。
一方、白色LED照明装置では、同一の色温度の白色光で明るさを自由に変えることはできるが、光の明るさの変化に応じて色温度を変えることはできない。例えば、白色LED光源の明るさを暗くなるように調整しても、LEDの発光特性により色温度はほとんど変化しないで、発光される光は青みの強い白色光のままである。
特許第４８６２０９８号公報 特開平１０−２４２５１３号公報
白熱電球は、明るさとともに色温度が変化するフィラメントの発光特性により自然光に近い明るさと色合いの光を発光することから、無意識のうちに自然なかたちで世の人々に受け入れられている。同様に、白色LED照明装置に対しても、世の人々は白熱電球のような光り方（光の明るさと光の色合い）を求める傾向がある。
また、人間は自然光のなかで生活することを基本とする体内リズムを有するが、現代人は、生活スタイルが多様化していることから、長時間の室内労働や昼夜逆転労働などにより体内リズムを乱しやすくなってきている。このため、安全衛生上の観点からも室内照明に対して自然光に近い光り方の照明光が世の人々から切望されている。
本発明の実施の形態は、白熱電球のフィラメント光源のような光り方をするLEDモジュール及び照明装置を提供することを目的とする。
ここに記載する実施の形態に係るLEDモジュールは、同一の平面に含まれる発光面をそれぞれ有し、可視光領域において異なる発光スペクトルを持つ光を前記発光面からそれぞれ発光する複数のLED光源と、前記平面に対して実質的に直交する配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源の発光面を覆い、前記複数のLED光源から発光される光を導く軸対称透明部材と、前記配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源から離れて位置し、前記軸対称透明部材の内部に設けられ、前記軸対称透明部材によって導かれた光を散乱させる軸対称光散乱部材と、を具備し、前記平面に平行投影される前記軸対称光散乱部材の投影像が前記複数のLED光源の各発光面の少なくとも一部に重なる。
図１は実施形態の照明装置を示す側面図。 図２は実施形態の照明装置を示す透視断面図。 図３は実施形態のLEDモジュールを示す斜視図。 図４は実施形態のLEDモジュールを示す拡大側面模式図。 図５は導光体をチップオンボード（Chip On Board；以下“COB”という）に取り付けるための取付機構の概要を示す拡大側面模式図。 図６は導光体をCOBに取り付けるための取付機構の概要を示す拡大側面模式図。 図７Ａは、導光体内での光の軌跡の一例を示す側面模式図。 図７Ｂは、導光体内での光の軌跡の一例を示す側面模式図。 図７Ｃは、導光体内での光の軌跡の一例を示す側面模式図。 図７Ｄは、導光体内での光の軌跡の一例を示す側面模式図。 図８は、LEDモジュールの概要を示す縦断面模式図。 図９は、複数組合せLED光源の縦断面模式図。 図１０は、複数組合せLED光源の平面模式図。 図１１は、複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を模式的に示す平行投影図。 図１２Ａは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１２Ｂは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１２Ｃは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１２Ｄは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１２Ｅは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１２Ｆは、他の複数組合せLED光源の発光面に投影した光散乱部材の投影像を示す平面投影図。 図１３は、高い隔壁で区画された複数組合せ蛍光体層の一部を拡大して示す断面模式図。 図１４は、低い隔壁で区画された複数組合せ蛍光体層の一部を拡大して示す断面模式図。 図１５は、実施形態の複数組合せLED光源の回路図。 図１６は、単一の白色LED光源および３種類の組合せ白色LED照明装置の電流−電圧特性をそれぞれ示す特性線図。 図１７は、３種類の組合せ白色LED照明装置における全光束と投入電流との関係を示す特性線図。 図１８は、３種類の組合せ白色LED照明装置と白熱電球を比較して色温度と全光束との関係を示す特性線図。 図１９は、単一の色温度の各種白色LED照明装置の回路図。 図２０は、単一の色温度の各種白色LED照明装置の電流−電圧特性をそれぞれ示す特性線図。 図２１は、他の実施形態の複数組合せ白色LED照明装置の回路図。 図２２は、異なる色温度を組み合わせた複数組合せ白色LED照明装置の電流−電圧特性をそれぞれ示す特性線図。 図２３は、２種類の組合せ白色LED光源において各エリアに流れる電流（部分の電流）と投入電流（全体の電流）との関係を示す特性線図。 図２４は、２種類の組合せ白色LED光源における全光束と投入電流との関係を示す特性線図。 図２５は、色温度と全光束との関係について２種類の組合せ白色LED光源と白熱電球を比較して示す特性線図。
以下、いくつかの実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
実施形態の照明装置1は、図１と図２に示すように、全体の形状と大きさが白熱電球に近似する形状と大きさに形成されている。このような照明装置1は、球状ガラスからなるグローブ2の中にLEDモジュール10を装入し、グローブ2の開口部を口金3で封止することにより形成される。
LEDモジュール10は、同一平面上に含まれる発光面18を有する複数のLED光源13a,13b,13cを有している。これら複数のLED光源13a,13b,13cは、COBの技術を用いて同一の基板11上に実装され、中空部4cを有する円筒状のヒートシンク4により基板11ごと支持されている。
ヒートシンク4は、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金のような熱伝導性に優れた金属材料でつくられている。ヒートシンク4の基端部4bには環状突起が形成されている。この環状突起に口金3をかしめることによりヒートシンク4が口金3に固定されている。
一方、ヒートシンク4の先端部4aは、穴あきキャップ状のレンズ押え6を介して軸対称透明部材14を支持している。ヒートシンク先端部4aにはヒートシンク本体の直径より少し小さい縮径部が形成されている。この縮径部4aの上端に基板11が複数のネジ5で締結されている。レンズ押え6はヒートシンク縮径部4aの外周に被せられている。透明部材14は、レンズ押え6の開口部内に挿入され、LED光源13の発光面18に接合されている。レンズ押え6により透明部材14を支持する支持構造が補強されている。
ヒートシンク4の中空部4cには点灯回路42が設けられている。点灯回路42は内部配線によって口金3の両極にそれぞれ接続されている。また、点灯回路42は、図１、図５および図１５に示すように、基板11上の光源13a,13b,13cの発光回路にそれぞれ接続されている。点灯回路42は、交流を直流に変換する交直変換機能および発光回路に給電して各光源13a,13b,13cを発光させる点灯機能を備えている。
次に、図３〜図１０および図１５を参照してLEDモジュール10を詳しく説明する。
実施形態のLEDモジュール10は、３つのLED光源13a,13b,13cと軸対称透明部材14及び軸対称光散乱部材15を組み合わせてなるものである。各LED光源13a,13b,13cは、図示しない複数のLEDチップと、これら複数のLEDチップを覆う蛍光体層12とを含む。LEDチップは、例えばアルミナ基板上にチップオンボードの技術によりLED発光回路が形成された回路基板11Cに組み込まれている。回路基板11C上には、例えば図１５に示す３つのLEDチップ群13a,13b,13cを含む発光回路が実装されている。さらに、LEDチップ群回路基板11Cは、図９に示すように共通の回路基板11B上に実装されている。基板11C上の蛍光体層12は、白色光を発光する発光面18を提供するものである。蛍光体層12は、後述するように例えば図９〜図１４に示すように区画エリアごとに色温度の異なる蛍光体材料を塗布してなるものである。
軸対称光透明部材14は、複数の光源の発光面18の全部を覆うように共通基板11Bに取り付けられている。軸対称光透明部材14は、全体の形状が円柱状をなし、配光対称軸axに対して実質的に軸対称に形成されている。同様に、軸対称光散乱部材15も配光対称軸axに対して実質的に軸対称に形成されている。透明部材14は、基端側が中実であり、先端側が中空である。透明部材の中空部14hの内面には光散乱粒子17を含む塗布膜が形成されている。この光散乱粒子17を含む塗布膜は、光散乱部材15を構成するものである。
図４に示すように、軸対称透明部材14は、Ｚ軸に沿って基端側から先端側に向かって段階的に外径が減少している。すなわち、軸対称透明部材14において、円柱状の基端部14aよりも円錐台状の第１の中間部14bのほうが外径が小さく、第１の中間部14bよりも第２の中間部14cのほうがさらに外径が小さく、第２の中間部14cよりも先端部14dのほうがさらに外径が小さくなっている。
これとは逆に、透明部材の中空部14hは、透明部材14の基端側から先端側に向かって段階的に径が増加し、それゆえに光散乱部材15の内径も同様に増加する。すなわち、軸対称透明部材14において、基端側の底面14nよりも第１の中間部14mのほうが内径が大きく、第１の中間部14mよりも第２の中間部14lのほうが内径がさらに大きく、第２の中間部14lよりも第３の中間部14kのほうが内径がさらに大きく、第３の中間部14kよりも先端部14jのほうが内径がさらに大きくなっている。
これらの部位14a,14b,14c,14d,14j,14k,14l,14m,14nのテーパー角度は、LEDモジュール全体の光学的な特性と解析手法を用いてそれぞれ決めることができる。具体的には、透明部材14の基端側から先端側に移行するに従って光散乱部材15を取り囲む透明部材14の肉厚が徐々に薄くなっていき、その結果として肉厚変化部分16が形成されている。このような肉厚変化部分16は、複数の光を特定の焦点領域（以下、仮想光源領域という）に集めるレンズ機能または集光機能を有する。図７Ａ〜図７Ｄに示すように、光は透明部材14により導かれ、光散乱部材15に到達した光は光散乱部材15内で反射と散乱を繰り返し、光散乱部材15の全面が発光するように見える。光散乱部材15から先端側に向かった光は、そのままモジュール10から外部に放出される。一方、光散乱部材15から側面14sや基端側に向かった光は、肉厚変化部分16により仮想光源領域としての中空部の底面14nに集光される。光が中空部の底面14nに向かって集中する結果、外部観察者にはあたかも中空部の底面14nから光が発しているかのように見える。
本実施形態の照明装置1は、この仮想光源領域となる中空部の底面14nがグローブ2のほぼ中心に位置するように設計されているので、フィラメント発光方式の白熱電球と同じような光り方になる。
図５と図６を参照してLEDモジュール10の組み立て方法について説明する。
先ず透明部材14の基端面を光源の回路基板11Cに接着剤により接着して固定する。固定した透明部材14にレンズ押え6を被せると、透明部材の下部突起14pがレンズ押えの溝6gに嵌まり込み、レンズ押え6が基板11Bに対して位置決めされる。これによりレンズ押えのネジ孔6aと基板のネジ孔11aとが互いに連通する。連通したネジ孔6a,11aにネジ5をねじ込むと、ヒートシンク4の縮径部にLED光源13がレンズ押え6とともにネジ5でしっかりと締結される。
LED光源13は、可視光領域の光を発する複数の発光素子を含み、平らな発光面18を有する。発光素子として、例えばピーク波長が３５０〜４７０ｎｍの範囲にある単色光を発するLEDチップを用いることができる。具体的には、例えばピーク波長が４１０ｎｍの光を発する紫色LEDチップを用いることができる。このようなLEDチップを覆うように蛍光体層12が塗布形成されている。蛍光体層12は、LEDチップからの一次光を吸収し、光の波長を変換し、二次光を出すものである。蛍光体層12が塗布されたエリアは、光源の発光面18を提供する。
本実施形態においては、LEDチップからの配光分布は、配光対称軸axを有するものであって、この配光対称軸axに対して対称に近い分布である。配光分布としては、例えばランバーシアンを用いることができるが、これに限定されるものではなく他の分布を用いてもよい。配光対称軸axは、例えばLEDチップの発光面内の中心付近を通るものとすることができるが、これに限定されるものではなくLEDチップの発光面18と同一面内の他の点を通ってもよい。
LED光源13は、必要に応じて基板11上に載置するようにしてもよい。基板11は特に限定されないが、基板の載置面が可視光を拡散反射する材質で構成することができる。この場合には、配光分布を大きくすることができる。あるいは、基板の載置面は、可視光を透過させうる透明な材料で構成されていてもよい。この場合にも、基板11を通り抜ける透過光が増え、配光分布を大きくすることができる。可視光を拡散反射する材質としては、例えば、アルミニウム等の金属、および白色樹脂などが挙げられ、可視光に対して透明な材料としては、例えば透明樹脂が挙げられる。
軸対称透明部材14は、可視光の吸収が少ない透明材料から構成することができる。透明材は、無機材料および有機材料のいずれでもよい。無機材料としては、例えばガラスおよび透明セラミックスを用いることができる。有機材料としては、例えばアクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、およびポリメチルメタクリレート（PMMA）樹脂からなる群より選択される透明樹脂を用いることができる。ここで、透明とは可視光を透過させうるということ意味する。この透明部材の屈折率ｎと全反射角θcとは下式（Ａ）の関係がある。
Figure 0006293914
軸対称光散乱部材15は、軸対称透明部材14の内部に配置され、LED光源13からの白色光を散乱させる光散乱粒子17を含有している。光散乱粒子17は光を全反射する白色顔料のような白色粒子が好ましい。
軸対称透明部材14および軸対称光散乱部材15をそれぞれ作製する方法の概要を説明する。
射出成型機により透明樹脂を射出成型し、円柱状の軸対称透明部材14を形成する。次いで、透明バインダーに白色粒子17を混合・撹拌し、白色粒子17が透明バインダー中に均一に分散する混合物スラリーを作製する。塗布装置により混合物スラリーを軸対称透明部材の中空部14hの周壁に薄く塗布する。塗布層の平均厚みは５０〜１００μｍの範囲内にすることが好ましい。塗布層は、軸対称光散乱部材15を構成するものである。この塗布層15は、透明部材の中空部14hの周壁を覆い、透明部材14によって導かれた光を散乱させる。
なお、粒子を含有する光散乱部材を作製するための透明バインダーとしては、上述したようなものに限定されず、可視光に対して透明であって、粒子を内部に保持できる透明樹脂であればよい。
一般的には、光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）は、厚さｈ（ｍｍ）の平板状の光散乱部材に対し、平板に直交方向にコリメートされた平行光線を照射した際の透過量を用いて定義することができる。平行光線の入射強度をＩ0とし、透過強度をＩTとすると、吸収係数μは下式（Ｂ）で与えられる。
Figure 0006293914
なお、光散乱部材15とLED光源13との最近接距離Ｌ2を明確にするために、図４では便宜的に透明部材14は基板11に接しないように示しているが、実際には透明部材14は基板11に接している。
軸対称透明部材14の対称軸は、LED光源13の配光対称軸axと実質的に一致し、また、軸対称光散乱部材15の対称軸も配光対称軸axと実質的に一致している。なお、LED光源の配光対称軸axの製品ばらつきの範囲内であれば、対称軸が実質的に一致するものとみなすことができる。
最近接距離Ｌ2と発光面18の面積Ｃとは下式（１）の関係を満たすことが好ましい。
Figure 0006293914
また、光散乱部材の長さＬ1と光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）とが下式（２）の関係を満たすことが好ましい。
Figure 0006293914
さらに、光散乱部材の底面の直径ｄ1と最近接距離Ｌ2と透明部材の屈折率ｎとが、下式（３）の関係を満たすことが好ましい。
Figure 0006293914
長さＬ1と吸収係数μが上式（２）の関係を満たすことにより、LED光源から発光された光8が光散乱部材15を通過することがなくなるので、照明装置1から外部に漏れ出さなくなる。
また、上記（３）の関係により次の効果も得られる。LED光源13からの光8は、光散乱部材の底面15eで散乱される一部の光を除いて、透明部材の側面14sによって全反射され、光散乱部材の各部15a〜15dにおいてそれぞれ散乱される。このように光は反射と散乱を繰り返した後に外部に放出されるため、外部観察者には光散乱部材15の全面が発光しているように見える。
光散乱部材15の対称軸に対して直交する断面は、この断面を含む平面内の透明部材14の断面に含まれる。すなわち、対称軸に直交する平面において、光散乱部材15の周囲は透明部材14で確実に覆われている。さらに、透明部材14を光源の発光面18に平行投影した面は発光面18の全部を覆う。換言すると、透明部材14の最大直径の断面は、光源の発光面18より大きい。
上記の条件を満たすことにより、低損失および低発熱であるのに加えて、コンパクトな白色LED照明装置が得られる。
LED光源13は、アルミナ基板11上に配置され、透明部材14で覆われている。透明部材14は、配光対称軸axを対称軸とする円柱状であり、その底面は基板11に接している。本実施形態では、アクリル樹脂（屈折率ｎ＝約１．５）を用いて透明部材14を作製する。
光散乱部材15は、配光対称軸axを対称軸とする塗布膜であり、透明部材14の内部に配置され、白色粒子17を含む透明樹脂で構成される。白色粒子17は透明樹脂層中に一様に分散されている。白色粒子17は、光源からの光8を散乱させ、ほとんど光を吸収することなく様々な方向に向かう散乱光9を生じさせる。こうした白色粒子17を含む光散乱部材15の吸収係数μ（１／ｍｍ）を０．１とする。
本実施形態のLEDモジュールでは、光源の発光面18の面積Ｃを例えば１ｍｍ2としている。この値を式（１）の右辺に代入して計算すると、右辺の値は約０．２８ｍｍとなる。
本実施形態のLEDモジュールでは、光源13と光散乱部材15との最近接距離Ｌ2を例えば３．０ｍｍとしている。上記算出値は３．０ｍｍより小さいので、式（１）の関係を満たしている。
本実施形態のLEDモジュールでは、光散乱部材15の吸収係数μ（１／ｍｍ）を０．１としている。この値を式（２）の右辺に代入して計算すると、右辺の値は３．０となる。
本実施形態のLEDモジュールでは、光散乱部材15の長さＬ1を例えば１０．６ｍｍとしている。これは上記算出値の３．０ｍｍより大きいので、式（２）の関係を満たしている。
また、最近接距離Ｌ2（＝１４．８）と屈折率ｎ（＝１．５）を式（３）の右辺にそれぞれ代入して計算すると、右辺の値は約３３となる。
本実施形態のLEDモジュールでは、光散乱部材の底面15eの直径ｄ1を例えば７．６ｍｍとしている。上記算出値の３３は直径ｄ1（＝７．６ｍｍ）より大きいので、式（３）の関係を満たしている。
また、光散乱部材15の直径ｄ1および最近接距離Ｌ2は、下式（４）の関係を満たすことが好ましい。本実施形態のLEDモジュールでは、透明部材14の直径ｄ0を例えば１０．２ｍｍとしている。この直径ｄ0と上記直径ｄ1を式（４）の左辺に代入して計算すると、左辺の値は約０．７４５となる。また、式（４）の右辺に長さＬ1，Ｌ2を代入して計算すると、右辺の値は約０．７３６となる。これらの算出値は式（４）の関係を満たしている。
なお、上記数値は一例を示したものであり、上記数式を満たす範囲で種々変えることができる。
Figure 0006293914
本実施形態の照明装置の作用を説明する。
LED光源13から発光された光8は、光散乱部材15に到達すると白色粒子17に当たって散乱される。LED光源１１からの光の一部は、軸対称透明部材１２において全反射を繰り返した後、光散乱部材15で散乱される。
LED光源13に最近接する光散乱部材の底面15eからの光のうち、その一部が光源13に戻る。その割合は、光散乱部材15を中心とする全立体角に対し、LED光源13を見込む立体角であり、下式（５）を用いておおよその値を求めることができる。
Figure 0006293914
式（５）の値が小さいほど、光散乱部材15から光源13への戻り光が少なくなる。式（５）の値は、少なくとも１よりも小さいことが好ましい。したがって、上式（１）の関係を満たすことが好ましい。
本実施形態においては、Ｃ＝１ｍｍであるので、これと上式（５）から得られる戻り光の割合は約０．８％となる。
次に、図７Ａ〜図７Ｄを参照して、光透明部材14内における光の行程について説明する。図７Ａ〜図７Ｄの各々は、光8,9の行程を除いて図４と実質的に同じ構成である。なお、図中に記入した線状の光8,9の行程は便宜的なものであり、実際の光は平面状の光源13から面状に発光されるものである。
LED光源13からの光8は、透明部材14により導かれ、透明部材14の肉厚変化部分16により光散乱部材15のほうに集められる。例えば、光散乱部材15から先端方向に向かった光8は、図７Ｂ，図７Ｃ，図７Ｄにそれぞれ示すように光散乱部材15に集められるが、光散乱部材15から側方や基端方向に向かった光8は、透明部材14に反射されながら透明部材の肉厚変化部分16により光散乱部材の底面15eのほうへ導かれる。このように光散乱部材の底面15eに向かって光8が集中する結果、外部観察者にはあたかも光散乱部材の底面15eから光が発しているように見える。
また、光8は、例えば図７Ｄに示すように、透明部材の側面14sで全反射され、光散乱部材の底面15eのエッジ近傍を通って、透明部材14の側面で再び全反射された後に、光散乱部材15に到達する。この場合に、透明部材14の先端側の外周面にテーパー角をつけているので、１回目の全反射と２回目の全反射とにおいて透明部材の側面14sに対する光8の入射角度が異なる。しかし、本実施形態では、種々の入射角度で入射する光8を透明部材の側面14sで実質的に全反射するようにLEDモジュール10を設計しているので、光8が光源13からモジュール10の外部へ直接漏れ出すことはない。
仮に、光源から発光された光8が透明部材の側面14sで全反射されずにこれを透過してしまうと、この方向には光源からの光8が散乱されないでそのままの状態で出ていく。また、散乱されないLED光8は、強い指向性を有するため照射範囲が狭く、周囲を広範囲かつ均等に照らさない。
しかし、本実施形態のLEDモジュール10は、光源13から発光された光8を透過部材の側面14sで全反射するように設計されている。例えば、本実施形態のLEDモジュールでは、軸対称透明部材の最大直径ｄ0を１０．２ｍｍ、軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ1を７．６ｍｍ、長さＬ1を１０．６ｍｍ、長さＬ2を１４．８ｍｍとし、少なくとも式（１）、式（２）、式（３）、式（４）をそれぞれ満たすようにしている。
光8は、光散乱部材15に到達すると、光散乱部材15内の白色粒子17に当たり、白色粒子17により散乱され、散乱光9となってモジュールから外部へ出ていく。すなわち、中空部14hを取り囲む周壁は光散乱部材15で覆われているため、光散乱部材15内で散乱と反射が繰り返され、外部観察者には光散乱部材15の全体が発光するように見える。この場合に、光散乱部材15において白色粒子17の濃度が高くなればなるほど光8が白色粒子17によって散乱される割合が増加していき、白色粒子濃度がある閾値を超えると、実質的に全ての光8が散乱光9となる。
また、光散乱部材15によって光が十分に散乱されることにより、広配光角を達成できる。特に、光散乱部材15として白色粒子を封入した場合、この効果が重要である。こうした条件を満たすためには、下式（６）で表わされる関係を満たすことが望ましい。
Figure 0006293914
これは、前述した式（Ａ）を用いると、式（３）で表わされる。
また、光8が光散乱部材の底面15eのエッジ近傍を通り抜けて、透明部材14の対称軸に平行な側面14sで全反射して光散乱部材15に当たるためには、式（４）の関係を満たすことが望ましい。上述の条件を満たすことにより広拡散による広配光を実現できる。
なお、本実施形態の照明装置に対してＺＥＭＡＸの光線追跡を実行した。ＺＥＭＡＸは、例えばゼマックスのホームページ（Radiant Zemax homepage; “http://www.radiantzemax.com/en/rz/”)に詳しく記載されている。ＺＥＭＡＸを実施した結果、本実施形態においてLED光源13に戻る光は従来の４０〜６０％よりも低損失であることが確認された。これは戻り光の吸収によるLED光源13の発熱が抑えられることを意味している。このことから本実施形態のLED光源13が低発熱であることも確認された。
次に、種々の実施形態のLEDモジュール及び照明装置にそれぞれ用いるLED光源について詳しく説明する。
本発明の実施の形態では、複数のLED光源を発光面が同一平面上に含まれるように組み合わせて配置し、各LED光源から色温度の異なる発光スペクトルをもつ白色光をそれぞれ発光させるようにしている。しかし、複数のLED光源を隣接して配置するため、ある光源から発した一次光が当該蛍光体層のみに吸収されないで、周囲の他の光源の蛍光体層に吸収されやすくなり、所定色温度の二次光の全光束が目標とする全光束の規定値よりも低くなるおそれがある。とくに、隣り合う蛍光体層同士が直接接触していると、一次光が隣りの蛍光体層に容易に吸収されてしまうため、得られる二次光の全光束が目標の規定値を大きく下回ることがある。
そこで、本発明の実施の形態では、図９、図１３、図１４に示すように、高反射率の隔壁20を隣り合う蛍光体層の相互間に設け、隔壁20により一方の蛍光体層と他方の蛍光体層とが物理的に直接接触しないように遮っている。このように隣り合う蛍光体層を互いに非接触の状態とする隔壁20により、一方の光源からの一次光が他方の光源の蛍光体層に吸収されるのが防止され、目標の規定値の全光束をもつ二次光が得られる。
また、本発明の実施の形態では、例えば図１１に示すように、XY面に平行投影される軸対称光散乱部材15の投影像30がLED光源13a,13b,13cの各発光面の少なくとも一部にそれぞれ重なるようにしている。このようなLED光源13a,13b,13cと軸対称光散乱部材15との相対位置関係は、各光源13a,13b,13cから別々に発光された異なる色温度の白色光が光散乱部材15において効率よく混じり合わされるようになり、自然光に近い色合いと明るさの白色光をもたらす。
また、本発明の実施の形態では、各LED光源13a,13b,13cの発光回路において、複数個のLEDチップ24,25,26を直列に接続した直列回路を形成し、この直列回路を複数並列に接続したLEDチップ群21,22,23を構成している。このようなLEDチップ群21,22,23は、複数列のLEDチップ直列回路を並列に接続した回路である。
さらに、本発明の実施の形態では、図１５と図２１にそれぞれ示すように、低い色温度の光源の発光回路において負極側に抵抗R1,R2を挿入している。これらの挿入抵抗R1,R2により高い色温度の光源13aの発光回路の電流−電圧特性線に変曲点が生じ、投入電流を特性線の変曲点よりも低いほうに下げていくと、図１６と図２２にそれぞれ示すように、電流が低い色温度の光源の発光回路のほうに優先的に流れるようになる。これにより、照明光の明るさが暗くなるにつれて光の色合いが赤みを帯びてくることになり、自然光に近い色合いの白色光が得られる。
以下、第１の実施の形態に係るLEDモジュールに用いる複数組合せ白色LED光源について図９〜図１１及び図１３〜図１８を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態のLEDモジュール10は、３つの白色LED光源13a,13b,13cを備えている。これら３つの白色LED光源13a,13b,13cは、それぞれ異なる発光スペクトルをもつ白色光、すなわち異なる色温度の白色光をそれぞれ発光するように構成されている。これらのうち第１の光源13aは、発光面18の中央エリアに配置され、最も高い色温度の白色光を発光するように、第１のLEDチップ群21を有する発光回路と蛍光体層12aとが組み合わされている。また、第２の光源13bは、図中にて発光面18の右側エリアに配置され、中間の色温度の白色光を発光するように、第２のLEDチップ群22を有する発光回路と蛍光体層12bとが組み合わされている。また、第３の光源13cは、図中にて発光面18の左側エリアに配置され、最も低い色温度の白色光を発光するように、第３のLEDチップ群23を有する発光回路と蛍光体層12cとが組み合わされている。
第１〜第３の光源13a,13b,13cの各LED発光回路は、図９、図１０、図１３、図１４に示すように、３個の回路基板11Cがチップオンボードの技術を用いて共通の回路基板11B上に実装されている。さらに、３個の回路基板11C上にはチップオンボードの技術を用いてLEDチップ群21,22,23がそれぞれ実装されている。
色温度が異なる３種の蛍光体層12a,12b,12cは、以下のようにしてそれぞれ形成される。
蛍光体混合物として、色温度が第１の温度（最も高い温度）になるように、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、および赤色蛍光体の４つの蛍光体材料を透明樹脂と所定の比率で混合したスラリーを準備する。この蛍光体混合物スラリーを第１のLEDチップ群21に対応する基板11Cの表面に塗布する。これにより第１のLEDチップ群21から発光される一次光を吸収するための第１の蛍光体層12a（平均厚みt1）が形成される。
次に、蛍光体混合物として、色温度が第２の温度（中間の温度）になるように、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、および赤色蛍光体の４つの蛍光体材料を透明樹脂と所定の比率で混合したスラリーを準備する。この蛍光体混合物スラリーを第２のLEDチップ群22に対応する基板11Cの表面に塗布する。これにより第２のLEDチップ群22から発光される一次光を吸収するための第２の蛍光体層12b（平均厚みt1）が形成される。
次に、蛍光体混合物として、色温度が第３の温度（最も低い温度）になるように、青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、および赤色蛍光体の４つの蛍光体材料を透明樹脂と所定の比率で混合したスラリーを準備する。この蛍光体混合物スラリーを第３のLEDチップ群23に対応する基板11Cの表面に塗布する。これにより第３のLEDチップ群23から発光される一次光を吸収するための第３の蛍光体層12c（平均厚みt1）が形成される。
これら３つの蛍光体層12a,12b,12cは、図１０に示すように、環状の隔壁20aと２本の線状の隔壁20b,20cにより周囲を取り囲まれ、他の蛍光体層から区画されている。隔壁20a,20b,20cは、３つのLED光源隔壁13a,13b,13cの相互間において一次光の吸収を低減するために、隣り合う蛍光体層12a,12b,12cの間に設けられる光の遮蔽物である。隣り合う蛍光体層12a,12b,12cの相互間に隔壁20a,20b,20cを設け、隔壁20a,20b,20cにより蛍光体層12a,12b,12c同士が直接接触しないように分けている。
隔壁20a,20b,20cは、波長４５０〜７８０ｎｍの光を最大９８％まで反射できる高反射率の無機微粒子を含むことが好ましい。このような高反射率の無機微粒子と樹脂材料を用いてスラリー塗布法により隔壁を形成することが好ましい。樹脂材料として、例えば、アクリル、シリコーン、フェノール、ユリア、メラミン、エポキシ、ポリウレタン、ポリオレフィン、及びポリイミドからなる群より選択される１種又は２種以上の混合物を用いることができる。また、無機微粒子として、酸化チタン、窒化ホウ素、硫酸バリウム、アルミナ、及び酸化亜鉛からなる群より選択される１種又は２種以上を用いることができる。とくに、無機微粒子として、チタニアのような白色顔料が好ましい。
スラリー塗布法では、白色顔料と樹脂溶液を所定の比率で混合・撹拌してスラリーを作製し、このスラリーをスラリー塗布装置により基板11C上に線状または帯状に塗布する。このようにして塗布形成された隔壁20a,20b,20cは、光の反射率が最大９８％までの高反射率となる。
次いで、蛍光体混合物と樹脂溶液を所定の比率で混合・撹拌してスラリーを作製し、このスラリーをスラリー塗布装置により基板11C上の所定エリアに塗布する。このようにして塗布形成された蛍光体層12a,12b,12cは、色温度がそれぞれ異なる。
図１１中に二点鎖線で囲った仮想エリアは、軸対称光散乱部材15を同一平面上に含まれる複数光源の発光面18上に平行投影したときの光散乱部材の投影像30を模式的に示したものである。この投影像30は、蛍光体層12a,12b,12cの塗布エリアの全部を覆ってはいないが、複数光源の各発光面エリアとはそれぞれ重なっている。ここで光源の発光面エリアとは、XY面内において発光回路のLEDチップが占有している領域をいう。具体的には、図の中央において第１のLEDチップ24群はすべて投影像30と重なっている。また、図の右側において第２のLEDチップ25群はすべて投影像30と重なっている。また、図の左側においても第３のLEDチップ26群はすべて投影像30と重なっている。
図１２Ａ〜図１２Ｆに示すように、複数組合せ光源の実施の形態を種々変更することができる。
図１２Ａに示すLEDモジュール10Aでは、環状の隔壁20aと直線状の隔壁20bにより２つのLED光源13a,13cの蛍光体層12a,12cを区画している。一方の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれている。他方の蛍光体層12cには第２の色温度の蛍光体混合物が含まれている。
図１２Ｂに示すLEDモジュール10Bでは、環状の隔壁20aと三叉状の隔壁20b,20c,20dにより３つのLED光源13a,13b,13cの蛍光体層12a,12b,12cを区画している。第１の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれている。第２の蛍光体層12bには第２の色温度の蛍光体混合物が含まれている。第３の蛍光体層12cには第３の色温度の蛍光体材料が含まれている。
図１２Ｃに示すLEDモジュール10Cでは、同心円状の隔壁20a,20eにより２つのLED光源13a,13cの蛍光体層12a,12cを区画している。内円の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれている。外円の蛍光体層12cには第３の色温度の蛍光体混合物が含まれている。
図１２Ｄに示すLEDモジュール10Dでは、同心円状の隔壁20a,20eと直線状の隔壁20b,20cにより３つのLED光源13a,13b,13cの蛍光体層12a,12b,12cを区画している。内円の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれている。一方の外半円の蛍光体層12bには第２の色温度の蛍光体混合物が含まれている。他方の外半円の蛍光体層12cには第３の色温度の蛍光体混合物が含まれている。
図１２Ｅに示すLEDモジュール10Eでは、同心円状の隔壁20a,20eと直線状の隔壁20b,20c,20dにより４つのLED光源13a,13b,13c,13dの蛍光体層12a,12b,12c,12dを区画している。第１の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれている。第２の蛍光体層12bには第２の色温度の蛍光体混合物が含まれている。第３の蛍光体層12cには第３の色温度の蛍光体混合物が含まれている。第４の蛍光体層12dには第４の色温度の蛍光体混合物が含まれている。
図１２Ｆに示すLEDモジュール10Fでは、環状の隔壁20aと４本のＬ字状の隔壁20fにより５つのLED光源13a,13b,13c,13b,13cについて３種の蛍光体層12a,12b,12cを区画している。このLEDモジュール10Fにおいては、これら５つのLED光源13a,13b,13c,13b,13cに対して３種類の蛍光体層12a,12b,12cを塗り分けている。すなわち、第２と第４の光源には同じ蛍光体混合物を含む蛍光体層12bをそれぞれ塗布し、第３と第５の光源には同じ蛍光体混合物を含む蛍光体層12cをそれぞれ塗布している。
この例では、第１の光源の蛍光体層12aには第１の色温度の蛍光体混合物が含まれ、第２と第４の光源の蛍光体層12bには第２の色温度の蛍光体混合物がそれぞれ含まれ、第３と第５の光源の蛍光体層12cには第３の色温度の蛍光体混合物がそれぞれ含まれている。
なお、本実施形態においては３種類の色温度の異なる白色光源を組み合わせて用いた場合を説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、この他に２種類又は４種類又はそれ以上の白色光源を組み合わせて用いることができる。また、組み合わせる白色光源の種類は多ければ多いほど、より微妙な白色光が再現されるため良い効果を期待できる。しかし、白色光源の種類を過度に増加させると、調光・調色のためのに御が複雑になるため好ましくない。よって、２種類から４種類までの白色光源を組み合わせることが好ましく、３種類の白色光源を組み合わせることが最も好ましい。
次に、図１３と図１４を参照して隔壁の高さと蛍光体層の厚みとの関係について説明する。
本実施形態のLEDモジュールでは、隔壁の平均高さh1を蛍光体層の平均厚みt1の０．５倍以上２倍以下の範囲とすることが好ましい。隔壁の平均高さh1がこのように適正な範囲にあると、複数のLEDチップ群からの一次光の発光効率が上昇するからである。隔壁の平均高さh1が蛍光体層の平均厚みt1の０．５倍以上であれば、隔壁に対する蛍光体混合物含有スラリー（各色の蛍光体と透明樹脂溶液との混合物）の濡れ性により、隣り合う蛍光体同士の接触は生じない。
例えば図１４に示す隔壁20Lでは、隔壁20Lの平均高さh1が各蛍光体層12a,12bの厚みt1より低いが、平均厚みt1の０．５倍以上であれば、蛍光体層12a,12b同士は接触することがない。この場合は、蛍光体スラリーが凸状に盛り上がる。ちなみに、隔壁の平均高さh1は、数１０μｍ以上あれば十分である。しかし、隔壁の平均高さh1が蛍光体層の平均厚みt1の０．５倍未満になると、隣り合う蛍光体層同士が接触するおそれがある。
一方、隔壁の平均高さh1が蛍光体層の平均厚みt1の２倍を超えると、非発光面積が過大となり、全光束が低下するので、照明が暗くなる。しかし、隔壁の平均高さh1が蛍光体層の平均厚みt1の２倍未満であれば、二次光の発光効率の低下は実質的に無視できるほど小さい。例えば図１３に示す隔壁20Hでは、隔壁20Hの平均高さh1が各エリアの蛍光体層12a,12bの平均厚みt1より高いが、平均厚みt1の２倍未満であれば、二次光の発光効率は実質的に低下せず、照明は暗くならない。
ここで、蛍光体層の平均厚みとは、蛍光体混合物含有スラリーを塗布し、スラリーの揮発性成分が揮発消失した後の蛍光体材料の平均の厚みをいう。なお、LED光源において、蛍光体層の平均厚みt1は４００〜２０００μｍ（0.4〜2.0mm）の範囲内とするのが一般的である。
図１５を参照して本実施形態のLEDモジュールの発光回路を説明する。
本実施形態のLEDモジュールは３つの光源13a,13b,13cを備えている。これら３つの光源13a,13b,13cは、複数個のLEDチップ24,25,26からなるLEDチップ群21,22,23をそれぞれ備えている。
第１の光源13aの発光回路は、４つのLEDチップ24を順方向に直列に接続して直列接続回路を形成し、この直列接続回路を４つ並列に接続することにより構成されている。この第１の光源13aの発光回路は、合計１６個のLEDチップ24を含むLEDチップ群21を有することになる。
第２の光源13bの発光回路は、３つのLEDチップ25を順方向に直列に接続して直列接続回路を形成し、この直列接続回路を２つ並列に接続することにより構成されている。この第２の光源13bの発光回路は、合計６個のLEDチップ25を含むLEDチップ群22を有することになる。さらに、第２の光源13bの発光回路の負極側には抵抗R1を挿入している。抵抗R1は２並列のLEDチップ群22に直列に接続されている。
第３の光源13cの発光回路は、２つのLEDチップ26を順方向に直列に接続して直列接続回路を形成し、この直列接続回路を２つ並列に接続することにより構成されている。第３の光源のLEDチップ群23は、合計４個のLEDチップ26を含むLEDチップ群23を有することになる。さらに、第３の光源13cの発光回路の負極側には抵抗R2を挿入している。抵抗R2は２並列のLEDチップ群23に直列に接続されている。
なお、各挿入抵抗R1,R2は、発光回路の抵抗値の変化による発光特性の変化を調べるために可変抵抗素子としている。
第１〜第３のLEDチップ群21,22,23の直列数を変えた場合であっても、挿入抵抗R1,R2をそれぞれ変えることにより電流−電圧特性線の傾きを部分的に変え、回路の発光特性を全体として所望のものに調整することができる。具体的には、挿入抵抗R1の値を変えることにより第１光源の発光回路の電流−電圧特性線Ａと第２光源の発光回路の電流−電圧特性線Ｂとの交点CP2を位置調整することができ、また、挿入抵抗R2の値を変えることにより、図１６に示すように第１光源の発光回路の電流−電圧特性線Ａと第３光源の発光回路の電流−電圧特性線Ｃとの交点CP1を位置調整することができる。これにより、白色LED照明装置の発光特性線Ｅを、図１８に示すように白熱電球の発光特性線Ｆに近似させることが可能である。
なお、本実施形態では、チップオンボードの技術により挿入抵抗R1,R2をLEDパッケージとしての回路基板11C上に実装したが、これらの挿入抵抗R1,R2を回路基板11C以外の他の部材上に実装するようにしてもよい。
さらに図１５を参照して、３つの光源13a,13b,13cの発光回路に電力を供給するための給電回路について説明する。
第１〜第３の光源13a,13b,13cの発光回路は、正極側が一括して共通の電極27dに接続されている。この正極側の共通電極27dは、点灯回路42の正極端子42aに接続されている。
一方、第１の光源13aの発光回路は、負極側が個別の電極27aに接続されている。また、第２の光源13bの発光回路は、負極側が個別の電極27bに接続されている。また、第３の光源13cの発光回路は、負極側が個別の電極27cに接続されている。これらの負極側の電極27a,27b,27cは、それぞれ点灯回路42の負極端子42bに接続されている。
本実施形態の照明装置の動作を説明する。
電球型の照明装置1を外部電源40となる商用交流電源用ソケットに取り付けると、照明装置内の点灯回路42に外部電源40（商用交流電源）から電流が流れ、点灯回路42が作動して、３つの光源13a,13b,13cの発光回路にそれぞれ電力が供給され、各光源のLEDチップ群21,22,23がそれぞれ発光する。
３つの光源13a,13b,13cからそれぞれ発光される白色光は、異なる発光スペクトル（すなわち、異なる色温度）を有している。これら３種の異なる色温度の白色光は、透明部材14によりレンズ状の肉厚変化部分16に導かれ、肉厚変化部分16により光散乱部材15のほうに集められる。このようにして光散乱部材15から先端方向に向かった光8は、光散乱部材15に集められる。
一方、側方や基端方向に向かった光は透明部材14に反射されながら透明部材14の肉厚変化部分16により光散乱部材の底面15eに向けて導かれる。このように透明部材の光散乱部材の底面15eに向かって光8が集中する結果、あたかも光散乱部材の底面15eから光が発光しているように外部から見える。これにより本実施形態の照明装置の光り方が白熱電球の光り方に近いものになる。
さらに本実施形態の作用と効果を図１６〜図１８に示す各特性線図を参照して説明する。
図１６は、単一の白色LED光源および３種組合せ白色LED光源についての電流−電圧特性をそれぞれ示す特性線図である。
図中にて特性線Ａは第１の光源13aの発光回路（挿入抵抗なし）の電流−電圧特性を、特性線Ｂは第２の光源13bの発光回路に挿入した可変抵抗R1を５０Ωに設定したときの電流−電圧特性を、特性線Ｃは第３の光源13cの発光回路に挿入した可変抵抗R2を３００Ωに設定したときの電流−電圧特性をそれぞれ示す。
特性線Ｄは、３種組合せ光源の発光回路の電流−電圧特性を示す。特性線Ｄは、２つの変曲点IP1と変曲点IP2を有する。第１の変曲点IP1は特性線Ａと特性線Ｃとの交点CP1に対応し、第２の変曲点ＩＰ２は特性線Ａと特性線Ｂとの交点CP2に対応している。
特性線Ｄにおいて第１の変曲点IP1（約２０ｍＡ）までは電流−電圧特性線の傾きが最も大きい。これは、第１の光源13aに積極的に電流が流れていることを示す。
特性線Ｄにおいて電流を増加させていくと、第１の変曲点IP1で電流−電圧特性線の傾きが特性線Ｃの傾きから特性線Ｂの傾きに変わる。これは、投入電流が第１の変曲点IP1を超えると、第３の光源13cに流れる電流が飽和状態になり、第２の光源13bのほうを優先して積極的に電流が流れ込むことを示す。
特性線Ｄにおいて、電流が第１の変曲点IP1（約２０ｍＡ）を超え、第２の変曲点IP2（約６０ｍＡ）までは電流−電圧特性線の傾きが第１の変曲点IP1までの傾きよりも小さくなり、第２の光源13bの電圧と第３の光源13cの電圧とが同じになる。これは、第３の光源13cに流れる電流が飽和状態になり、第２の光源13bのほうを優先して積極的に電流が流れ込むことを示す。
本実施形態では、図１５に示すように、低い色温度の光源13b,13cの発光回路において負極側に抵抗R1,R2をそれぞれ挿入している。これらの挿入抵抗R1,R2により高い色温度の光源13aの発光回路の電流−電圧特性線に変曲点が生じ、投入電流を特性線の変曲点よりも低いほうに下げていくと、電流が低い色温度の光源の発光回路のほうに積極的に流れるようになる。これにより、全光束が低下するに従って白色光の色合いが赤みを帯びたものになり、自然光に近い白色照明光が得られる。
図１７は、３種組合せ白色LED照明装置における全光束と投入電流との関係を示す特性線図である。
特性線Ｈから、投入電流と全光束はほぼ正比例の関係にあり、投入電流が増加するに従って全光束も増加することが分かる。すなわち、照明を明るくしようとすれば、電流の供給量を増加させればよい。
図１８は、３種組合せ白色LED照明装置と白熱電球とを比較して色温度と全光束との関係を示す特性線図である。
図中にて特性線Ｅは３種組合せ白色LED照明装置（実施例）の発光特性を示し、特性線Ｆは白熱電球（比較例）の発光特性を示す。両特性線Ｅ，Ｆから、色温度が約２０００Ｋから約２８００Ｋあたりまでの広範囲において、本実施形態の白色LED照明装置の発光特性が白熱電球の発光特性に近似することが認められた。
また、特性線Ｅから、全光束に対して色温度は変化しており、全光束が高いほど第１の光源13aからの光の色温度２８００Ｋに近づき、全光束が低いほど第２の光源13bからの光の色温度２４００Ｋおよび第３の光源13cからの光の色温度２０００Ｋに近づいていることが認められた。
（第２の実施形態）
第２の実施の形態に係るLEDモジュールに用いる複数組合せLED光源について図１９〜図２４および図１２Ａをそれぞれ参照して説明する。なお、本実施の形態が上記実施の形態と重複する部分の説明は省略する。
第２の実施形態のLEDモジュール10Aは、図１２Ａに示すように区画された蛍光体層12a,12cを含む２種組合せ白色光源13a,13cを備えている。２種組合せ白色光源13a,13cは、図２１に示す発光回路を有する。
図１９に、単一の白色光源に種々の抵抗値をもつ抵抗を挿入したときの発光回路を示す。図１９の発光回路は、図２１に示す第２実施形態の発光回路に対する比較例として示したものである。
図２０に、図１９の各種の単一白色光源の発光回路の電流−電圧特性をそれぞれ示す。図２０の電流−電圧特性は、図２２に示す第２実施形態の発光回路の電流−電圧特性に対する比較例として示したものである。
図２１に示す２種組合せ白色光源13a,13cは、以下の構成を有する。
第１の光源13aの発光回路は、４つのLEDチップ24を順方向に直列に接続して直列回路を形成し、この直列回路を４つ並列に接続することにより形成されたLEDチップ群21を有する。第１光源のLEDチップ群21は、全部で１６個のLEDチップ24を含む。
第２の光源13cの発光回路は、２つのLEDチップ26を順方向に直列に接続して直列回路を形成し、この直列回路を２つ並列に接続することにより形成されたLEDチップ群23を有する。第２光源のLEDチップ群23は、全部で４個のLEDチップ26を含む。さらに、第２光源13cの発光回路の負極側には可変抵抗R2を挿入している。抵抗R2はLEDチップ群23に直列に接続されている。
なお、第１及び第２のLEDチップ群21,23の直列数を変えた場合であっても挿入抵抗R2の値を変えることにより、両電流−電圧特性線の交点位置を調整することができるため、白色LED照明装置の発光特性線を白熱電球の発光特性線に近づけることが可能である。
また、挿入抵抗R2は、抵抗値の変化による発光特性の変化を調べるために可変抵抗素子とした。また、挿入抵抗R2は、本実施形態ではチップオンボード技術により回路基板11C（LEDパッケージ）上に実装されるようにしているが、抵抗R2を回路基板11C以外の他の部材上に実装してもよい。
図２０は、単一の色温度の各種白色LED光源の電流−電圧特性をそれぞれ示す特性線図である。
図中の特性線Ａは、第１の光源13aの発光回路の電流−電圧特性を示す。
特性線Ｂ１は第２の光源13cの負極側に抵抗１００Ωを挿入した発光回路の電流−電圧特性を、特性線Ｂ２は第２の光源13cの負極側に抵抗３００Ωを挿入した発光回路の電流−電圧特性を、特性線Ｂ３は第２の光源13cの負極側に抵抗５００Ωを挿入した発光回路の電流−電圧特性を、特性線Ｂ０は、第２の光源13cの挿入抵抗がない（抵抗０Ω）発光回路の電流−電圧特性をそれぞれ示す。
特性線Ｂ０は、同じ電流に対して、第１光源13aの特性線Ａと比べて発生する電圧が低く、特性線Ａとほぼ平行になる。しかし、挿入抵抗R2の値が大きくなるに従って発光回路23Rの発生電圧が高くなり、特性線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のように順次傾きが大きくなっていくので、図２０に示すように特性線Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３と特性線Ａとがそれぞれ交点Ｐ，Ｑ，Ｒをもつようになる。傾きの異なる２つの電流−電圧特性線の交点Ｐ，Ｑ，Ｒは、それぞれ傾きの小さいほうの電流−電圧特性線に新たに変曲点を生じさせる。
図２２に、２種類の異なる色温度を組み合わせた２種組合せ白色LED照明装置の電流−電圧特性をそれぞれ示す。
図中にて特性線Ａは第１の光源13aの発光回路の電流−電圧特性を示し、特性線Ｂ２は第２の光源13cの負極側に抵抗３００Ωを挿入した発光回路の電流−電圧特性を示す。また、特性線Ｇは、２種類組合せ光源13a,13cの発光回路の電流−電圧特性を示す。
この組合せ光源13a,13cにおいては、電流が２０ｍＡまでは第２の光源13cに積極的に電流が流れる。しかし、電流が２０ｍＡを超えると、第１光源13aの発光回路と第２光源13cの発光回路とが等電位となる。この発光回路の電流−電圧特性において、２０ｍＡのところに特性線の傾きが急激に変わる変曲点IP3があるからである。この変曲点IP3は、特性線Ａと特性線Ｂ２との交点CP3に基づいて決められる。
図２３に、２種組合せ白色LED光源において各エリアに流れる電流（部分の電流）と投入電流（全体の電流）との関係を示す。
図中の特性線Ｊは第１光源13aの発光回路の電流−電圧特性を示し、特性線Ｋは第２光源13cの発光回路の電流−電圧特性を示す。
両特性線Ｊ，Ｋから、投入電流２０ｍＡ未満では第２光源13cの発光回路のほうに積極的に電流が流れるが、投入電流２０ｍＡ以上になると、第２光源13cの発光回路の電流値は飽和し、第１光源13aの発光回路のほうに積極的に電流が流れることが分かる。
図２４中の特性線Ｌから、投入電流と全光束はほぼ正比例の関係にあり、投入電流が増加するに従って全光束も増加することが分かる。
図２５に、色温度と全光束との関係について２種組合せ白色LED照明装置と白熱電球を比較して示す。
図中の特性線Ｍは２種組合せ白色LED照明装置の発光特性を示し、特性線Ｆは白熱電球の発光特性を示す。両特性線Ｍ，Ｆから、色温度が約２０００Ｋから約２８００Ｋあたりまでの広範囲において、本実施形態の白色LED照明装置の発光特性が白熱電球の発光特性に近似することが認められた。また、特性線Ｍから、全光束に対して色温度は変化しており、全光束が高いほど第１の光源13aからの光の色温度２８００Ｋに近づき、全光束が低いほど第２の光源13bからの光の色温度２０００Ｋに近づいていることが認められた。
以下に、実際に作製したLEDモジュールを組み込んだ実施例のLED電球の発光特性を比較例のLED電球のそれと対比して説明する。
（実施例１）
実施例１として、図１０の３種類の白色LED光源をもつLEDモジュール10を作製し、これをグローブ内に組み込んで図１のLED電球を作製した。
（隔壁の作製）
白色顔料としてチタニア微粒子をシリコーン樹脂溶液に所定の比率で混合・撹拌し、得られたスラリーを塗布装置によりLED回路基板の所定エリアに線状に塗布し、隔壁を形成した。形成した隔壁は、平均高さを0.5mmとし、平均幅を1.2mmとした。
（蛍光体層の作製）
基板の第１の発光エリアに色温度２８４０Ｋの蛍光体混合物スラリーを塗布し、第１の光源用の蛍光体層を形成した。蛍光体混合物スラリーは、下記の組成を有する青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の４種類を透明樹脂と所定の比率で混合したものである。形成した第１蛍光体層は、平均厚みを0.5mmとした。
青色蛍光体；（Ｓｒ0.81Ｂａ0.12Ｃａ0.01Ｅｕ0.06）5（ＰＯ4）3Ｃｌ
緑色蛍光体；（Ｓｒ0.235Ｂａ0.5Ｍｇ0.05Ｅｕ0.2Ｍｎ0.015）2ＳｉＯ4
黄色蛍光体；（Ｓｒ0.5292Ｂａ0.25Ｍｇ0.07Ｅｕ0.15Ｍｎ0.0008）2ＳｉＯ4
赤色蛍光体；（Ｓｒ0.8Ｅｕ0.2）3Ｓｉ7Ａｌ2Ｏ1.5Ｎ8
基板の第２の発光エリアに色温度２５８２Ｋの蛍光体混合物スラリーを塗布し、第２の光源用の蛍光体層を形成した。蛍光体混合物スラリーは、下記の組成を有する青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の４種類を透明樹脂と所定の比率で混合したものである。形成した第２蛍光体層は、平均厚みを0.5mmとした。
青色蛍光体；（Ｓｒ0.78Ｂａ0.15Ｃａ0.02Ｅｕ0.05）5（ＰＯ4）3Ｃｌ
緑色蛍光体；（Ｓｒ0.9Ｅｕ0.1）3Ｓｉ10Ａｌ3Ｏ2Ｎ2０
黄色蛍光体；（Ｓｒ0.6493Ｂａ0.2Ｍｇ0.05Ｅｕ0.1Ｍｎ0.0007）2ＳｉＯ4
赤色蛍光体；（Ｓｒ0.85Ｅｕ0.15）2.5Ｓｉ6Ａｌ4Ｏ0.5Ｎ10
基板の第３の発光エリアに色温度２０３２Ｋの蛍光体混合物スラリーを塗布し、第３の光源用の蛍光体層を形成した。蛍光体混合物スラリーは、下記の組成を有する青色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、赤色蛍光体の４種類を透明樹脂と所定の比率で混合したものである。形成した第３蛍光体層は、平均厚みを0.5mmとした。
青色蛍光体；（Ｓｒ0.72Ｂａ0.2Ｃａ0.01Ｅｕ0.07）5（ＰＯ4）3Ｃｌ
緑色蛍光体；（Ｓｒ0.24Ｂａ0.55Ｍｇ0.1Ｅｕ0.1Ｍｎ0.01）2ＳｉＯ4
黄色蛍光体；（Ｓｒ0.769Ｂａ0.15Ｍｇ0.03Ｅｕ0.05Ｍｎ0.001）2ＳｉＯ4
赤色蛍光体；（Ｓｒ0.9Ｅｕ0.1）2Ｓｉ8Ａｌ3ＯＮ13
図１０のLEDモジュールの各部サイズを下記に示す。
幅Ｗ２； ９．８ｍｍ
幅Ｗ３； ４．７ｍｍ
幅Ｗ４； ２．５５ｍｍ
（LEDチップ）
図１５の発光回路に２６個の青色LEDチップを組み込んだ。これに３００ｍＡの電流を流したときにCOB駆動電圧３．１Ｖを印加し、各青色LEDチップから発光波長４００〜４１０ｎｍの一次光を発光させた。
（軸対称透明部材の作製）
射出成型機により透明のアクリル樹脂を射出成型し、テーパー状の肉厚変化部と中空部を有する円柱状の軸対称透明部材を形成した。軸対称透明部材は、全長Ｌ0を25.4mmとし、肉厚変化部（中空部）の長さＬ1を10.2mmとし、距離Ｌ2を14.8mmとし、最大直径ｄ0を10.2mmとした。
（軸対称光散乱部材の作製）
光散乱粒子としてチタニア顔料を透明のニトロセルロース溶液に所定の比率で混合・撹拌し、得られたスラリーを塗布装置により軸対称透明部材の中空部の周壁面に薄く塗布し、軸対称光散乱部材を形成した。軸対称光散乱部材を構成する塗布層の平均厚みを５０〜１００μｍの範囲内とした。
（実施例２）
実施例２として、図１２Ａの２種類の白色LED光源をもつLEDモジュール10Aを作製し、これをグローブ内に組み込んで図１のLED電球を作製した。
（隔壁の作製）
白色粒子として積水化成品工業株式会社のテクポリマー（登録商標）をシリコーン樹脂溶液に所定の比率で混合・撹拌し、得られたスラリーを塗布装置によりLED回路基板の所定エリアに線状に塗布し、隔壁を形成した。テクポリマーは、透明樹脂中に色素を取り込んだ光散乱微粒子であり、光散乱性に加えて、LED光に多く含まれるブルーライト領域（380〜500 nm波長範囲）の光を抑制しうる微粒子である。
形成した隔壁は、平均高さを0.5mmとし、平均幅を1.2mmとした。
（蛍光体層の作製）
基板の第１の発光エリアに実施例１と同じ組成の色温度２８４０Ｋの蛍光体混合物スラリーを塗布し、第１の光源用の蛍光体層を形成した。形成した第１蛍光体層は、平均厚みを0.4mmとした。
基板の第２の発光エリアに実施例１と同じ組成の色温度２０３２Ｋの蛍光体混合物スラリーを塗布し、第２の光源用の蛍光体層を形成した。形成した第２蛍光体層は、平均厚みを0.4mmとした。
（LEDチップ）
図２１の発光回路に２０個の青色LEDチップを組み込んだ。これに３００ｍＡの電流を流したときにCOB駆動電圧３．１Ｖを印加し、各青色LEDチップから発光波長４００〜４１０ｎｍの一次光を発光させた。
なお、実施例２の軸対称透明部材および軸対称光散乱部材は、実施例１と同じものを用いた。
（比較例１）
比較例１として、軸対称透明部材および軸対称光散乱部材が無いことを除いて、実施例１と同じ構成の複数のLED光源を有する白色LED照明装置を準備した。
（比較例２）
比較例２として、軸対称透明部材および軸対称光散乱部材が無いことを除いて、実施例２と同じ構成の複数のLED光源を有する白色LED照明装置を準備した。
（評価試験結果）
点灯中に各照明装置の光源を見たときの色ばらつきを定量化するために、色彩輝度計により各装置の色温度のばらつきをそれぞれ測定し、得られた測定値を評価した。色彩輝度計としてコニカミノルタ株式会社の製品型番ＣＳ−１００Ａを用いた。色温度のばらつきは、光源の発光面上の異なる６つの箇所を測定したものである。その結果を表１に示す。
実施例１では、透明部材のレンズ状の肉厚変化部分において色温度の異なる３種類の光が混合されて、光散乱部材が発光するため、電球全体が均等に明るく、色ムラなく見えた。
これに対して、比較例１では、発光した蛍光体層の色温度の違いがそのまま見た目となるため、電球の頭頂部が明るく、その他の部分が暗く、色ムラが大きく見えた。
また、実施例２では、透明部材のレンズ状の肉厚変化部分において色温度の異なる２種類の光が混合されて、光散乱部材が発光するため、電球全体が均等に明るく、色ムラなく見えた。
これに対して、比較例２では、発光した蛍光体層の色温度の違いがそのまま見た目となるため、電球の頭頂部が明るく、その他の部分が暗く、色ムラが大きく見えた。
Figure 0006293914
1…照明装置、2…グローブ、3…口金、4…放熱筐体（ヒートシンク）、5…ネジ、
6…レンズ押え、8…発光光、9…散乱光、
10…LEDモジュール、11…基板、11B…共通回路基板、11C…LEDチップ群回路基板、
12,12a,12b,12c…蛍光体層、
13…LED光源、14…軸対称透明部材、14h…中空部、15…軸対称光散乱部材、15e…底面、
16…肉厚変化部分、17…光散乱粒子（白色粒子）、
18…発光面、18a,18b,18c…発光エリア、
20,20a,20b,20c,20d,20e,20f…隔壁、21,22,23…LEDチップ群、24,25,26…LEDチップ、 27a,27b,27c,27d…電極、
30…投影像、40…外部電源、42…点灯回路（コンバータ内蔵）、42a,42b…端子。

Claims (12)

  1. 同一の平面に含まれる発光面をそれぞれ有し、可視光領域において異なる発光スペクトルを持つ光を前記発光面からそれぞれ発光する複数のLED光源と、
    前記平面に対して実質的に直交する配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源の発光面を覆い、前記複数のLED光源から発光される光を導く軸対称透明部材と、
    前記配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源から離れて位置し、前記軸対称透明部材の内部に設けられ、前記軸対称透明部材によって導かれた光を散乱させる軸対称光散乱部材と、
    を具備し、
    前記平面に平行投影される前記軸対称光散乱部材の投影像が前記複数のLED光源の各発光面の少なくとも一部に重なり、
    前記軸対称透明部材は、前記複数のLED光源から発光される光を実質的に全反射する側面と、基端側から先端側に向けて肉厚が漸次減少する肉厚変化部分と、を有し、
    前記肉厚変化部分は、基端側から先端側に向けて外径が段階的に縮小する外径縮小部と、前記外径縮小部に対応する前記軸対称透明部材の内部に形成され、基端側から先端側に向けて内径が段階的に拡大する中空部と、を含み、
    前記前記肉厚変化部分により前記側面から反射される光を前記中空部の底面に集める、ことを特徴とするLEDモジュール。
  2. 前記複数のLED光源は、
    LEDチップ群を含む第１の発光回路と、
    前記発光面に設けられ、前記第１の発光回路のLEDチップ群から発光された光を高い色温度の白色光に変換する第１の蛍光体層と、
    前記第１の発光回路のLEDチップ群の全光束よりも低い全光束のLEDチップ群を含む第２の発光回路と、
    前記発光面に設けられ、前記第２の発光回路のLEDチップ群から発光された光を前記第１の蛍光体層での変換光の色温度よりも低い色温度の白色光に変換する第２の蛍光体層と、
    を具備し、
    前記第１の発光回路は、
    前記LEDチップ群を構成する複数個のLEDチップをそれぞれ直列に接続した第１の複数列のLED直列回路と、
    前記第１の複数列のLED直列回路を並列に接続した第１の並列回路と、
    を有し、
    前記第２の発光回路は、
    前記LEDチップ群を構成する複数個のLEDチップをそれぞれ直列に接続した第２の複数列のLED直列回路と、
    前記第２の複数列のLED直列回路を並列に接続した第２の並列回路と、
    前記第２の並列回路の負極側に挿入された挿入抵抗と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  3. 前記軸対称光散乱部材は、前記中空部の周壁を覆う層であることを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  4. 前記LED光源は、前記配光対称軸のまわりに実質的に対称な配光分布をもち、
    前記複数のLED光源の発光面は面積Ｃを有し、
    前記軸対称透明部材は、前記LED光源の前記配光対称軸に実質的に一致する第１の対称軸を有し、この第１の対称軸まわりに軸対称であり、
    前記軸対称光散乱部材は、前記LED光源の前記配向対称軸に実質的に一致する第２の対称軸を有し、この第２の対称軸まわりに軸対称であり、直径ｄ1の底面を有し、前記第２の対称軸に沿う長さＬ1を有し、前記底面が前記複数のLED光源の発光面から最近接距離Ｌ2だけ離れたところに位置し、前記最近接距離Ｌ2と前記面積Ｃとは下式（１）の関係を満たし、
    Figure 0006293914
     前記軸対称光散乱部材の長さＬ1と前記軸対称光散乱部材の吸収係数μ（１／ｍｍ）とは下式（２）の関係を満たし、
    Figure 0006293914
     前記軸対称光散乱部材の底面の直径ｄ1と前記最近接距離Ｌ2と前記軸対称透明部材の屈折率ｎとは下式（３）の関係を満たし、
    Figure 0006293914
     前記第２の対称軸に直交する前記軸対称光散乱部材の最大断面は、前記第１の対称軸に直交する前記軸対称透明部材の最小断面のなかに含まれ、
    前記軸対称透明部材を前記複数種の発光面に平行投影したときに、その投影像が前記複数のLED光源の発光面を含むように前記複数のLED光源の発光面に重なる、ことを特徴とする請求項１記載のLEDモジュール。
  5. 前記軸対称透明部材は、前記LED光源に近い部分が円柱の形状に形成され、前記LED光源から遠い部分が円錐台の形状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のLEDモジュール。
  6. 前記軸対称透明部材および前記軸対称光散乱部材が下式（４）の関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載のLEDモジュール。
    Figure 0006293914
     但し、ｄ0は前記軸対称透明部材の直径である。
  7. 前記複数のLED光源は、紫外または可視光領域の一次光を発光する複数のLEDチップと、前記一次光を吸収し、可視光領域の二次光を発光する複数の蛍光体層と、を有することを特徴とする請求項１に記載のLEDモジュール。
  8. 前記複数のLED光源は、前記一次光として可視光領域において異なる発光スペクトルを持つ可視光をそれぞれ発光する複数のLEDチップ群と、前記一次光を吸収し、前記二次光として色温度の異なる白色光をそれぞれ発光する複数の蛍光体層と、を有することを特徴とする請求項７に記載のLEDモジュール。
  9. 前記複数のLED光源は、前記複数のLEDチップ群および前記複数の蛍光体層を含む回路基板と、前記平面において前記蛍光体層を取り囲むように該蛍光体層の周囲にそれぞれ設けられ、隣り合う前記蛍光体層を互いに非接触な状態にする隔壁と、
    をさらに有することを特徴とする請求項８に記載のLEDモジュール。
  10. 前記隔壁の平均高さが、前記蛍光体層の平均厚みの０．５倍以上２倍以下の範囲にあることを特徴とする請求項９に記載のLEDモジュール。
  11. 前記隔壁は、アクリル、シリコーン、フェノール、ユリア、メラミン、エポキシ、ポリウレタン、ポリオレフィン、及びポリイミドからなる群より選択される１種又は２種以上の樹脂材料と、前記樹脂材料中に分散され、酸化チタン、窒化ホウ素、硫酸バリウム、アルミナ、及び酸化亜鉛からなる群より選択される１種又は２種以上の無機微粒子と、を含むことを特徴とする請求項９に記載のLEDモジュール。
  12. LEDモジュールを内包するグローブと、
    前記グローブに接続されるとともに前記LEDモジュールと熱的に接続される放熱筐体と、
    前記放熱筐体に内包され、交流を直流に変換し、前記LEDモジュールに直流電流を供給する点灯回路と、
    前記放熱筐体に接続され、前記点灯回路を介して外部電源から電力が供給される口金と、
    を具備し、
    前記LEDモジュールは、
    前記点灯回路により点灯される複数のLEDチップを含み、同一の平面に含まれる発光面をそれぞれ有し、可視光領域において異なる発光スペクトルを持つ光を前記発光面からそれぞれ発光する複数のLED光源と、
    前記平面に対して実質的に直交する配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源の発光面を覆い、前記複数のLED光源から発光される光を導く軸対称透明部材と、
    前記配光対称軸のまわりに軸対称に形成され、前記複数のLED光源から離れて位置し、前記軸対称透明部材の内部に設けられ、前記軸対称透明部材によって導かれた光を散乱させる軸対称光散乱部材と、
    を具備し、
    前記平面に平行投影される前記軸対称光散乱部材の投影像が前記複数のLED光源の各発光面の少なくとも一部に重なり、
    前記軸対称透明部材は、前記複数のLED光源から発光される光を実質的に全反射する側面と、基端側から先端側に向けて肉厚が漸次減少する肉厚変化部分と、を有し、
    前記肉厚変化部分は、基端側から先端側に向けて外径が段階的に縮小する外径縮小部と、前記外径縮小部に対応する前記軸対称透明部材の内部に形成され、基端側から先端側に向けて内径が段階的に拡大する中空部と、を含み、
    前記肉厚変化部分により前記側面から反射される光を前記中空部の底面に集める、ことを特徴とする照明装置。
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