JP2009260390A

JP2009260390A - 可変色発光ダイオード素子

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Publication number: JP2009260390A
Application number: JP2009182272A
Authority: JP
Inventors: Ryo Suzuki; 量鈴木; Takushi Noguchi; 卓志野口
Original assignee: Osram Melco Ltd
Current assignee: Osram Melco Ltd
Priority date: 2009-08-05
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】ＬＥＤチップを２種類のみとし、これにより、配線・制御回路も２系統とし、さらに、１個のパラメータを動かすだけで、色温度を変えることができ、黒体輻射に近づけるという調整が必要ない可変色発行ダイオード素子を得ること。
【解決手段】この発明に係る可変色発行ダイオード素子は、ＬＥＤチップを含むＤＵＶが−６〜６の範囲の第１の白色発光部分と、ＬＥＤチップを含み前記第１の白色発光部分とは発光色の相関色温度が２０００Ｋ以上低く、かつ、ＤＵＶが−６〜６の範囲の第２の白色発光部分とを備え、この２種類の白色発光部分をそれぞれ独立に発光を制御できるように配線してモールドすることを特徴とする。単色に発光するＬＥＤチップからなる単色発光部分と、別のＬＥＤチップを含む白色発光部分とを、それぞれ独立に発光を制御できるように配線、配置したことを特徴とする。
【選択図】図７

Description

この発明は、主に照明に利用する異なる発光色を持つ複数の発光ダイオードチップを、独立に配線してモールドした可変色発光ダイオード素子及びそれを用いた可変色発光ダイオードモジュール及び可変色発光ダイオード照明器具に関するものである。

図１１、１２は、例えば特許文献１又は特許文献２に開示されている異なる発光色を持つ複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）チップを独立に配線し、一体にしてモールドした従来の可変色ＬＥＤ素子の平面図である。図に示すように、赤ＬＥＤチップ１、緑ＬＥＤチップ２、青色ＬＥＤチップ３が一つの素子４として容器５内に透明なエポキシ樹脂６でモールドされている。各ＬＥＤチップは、それぞれ一方の極を共通パターン１１を介して共通端子７に接続すると共に、他方の極を別々の端子８、９、１０に接続してある。

共通端子７と接続する側を例えばマイナス側になるようにＬＥＤチップを接続してある場合、他方の各ＬＥＤのプラス側端子８、９、１０に、別々に電流を制御した電源系（図示せず）に接続すると発光が得られ、さらに各々に流れる電流に対して、その電流値を制御あるいはパルス幅制御することにより、各々の発光を別々に制御して広い範囲の色を自由に作り出すことができる。この例では赤、緑、青の３原色を用いているため、人間が識別できるほとんどの色を再現できる。

尚、上記特許文献１等ではエポキシ樹脂に光分散剤を入れて異なるＬＥＤチップからの光を混合している。図１１、１２の従来の可変色ＬＥＤ素子においては、前面にレンズを持たない広配光型であるため必ずしもその必要はないが、より均質な光を必要とする場合、光分散剤をエポキシ樹脂に入れても良い。

特許第２７９０２３７号公報特許第２８２２８１９号公報特開２０００−３４９３４５号公報国際公開第０３／０１９０７２号特開２００２−０５７３７６号公報

一方、一般照明の分野、特に家庭用照明においては、現在主流である蛍光ランプや白熱電球に対して、雰囲気にあわせ一つの光源で色温度を変えることができるようにという要望が強い。一般照明用としては黒体輻射に近い範囲内で、且つ、色温度２７００Ｋ〜８０００Ｋの間での変化が求められ、例えば、落ち着いた雰囲気を作りたい場合は色温度が低い３０００Ｋ、生き生きとした雰囲気を演出したい場合は色温度が高い７０００Ｋといったような具合である。即ち、光源色を変化させたいとはいえ、かなり狭い範囲であり、例えば、赤、黄、緑、青など原色あるいは単色に近い光源色は必要がなく、逆にこの範囲からはずれると奇異な雰囲気、場合によっては不快な雰囲気になる。

図１１、１２の従来の可変色ＬＥＤ素子のように３原色を用いた場合、この一般照明用に適する範囲内にするために、赤／緑と青／緑の２個の比率をある範囲に調整しなければならない。また、３種類のＬＥＤ素子を独立に制御しなければならないため３系統の配線が必要であり、また制御回路も３系統必要である。このように従来の可変色ＬＥＤ素子においては、素子自身の回路構成、これを制御するための回路構成、制御方法も複雑になるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、ＬＥＤチップを２種類のみとし、これにより、配線・制御回路も２系統とし、さらに、１個のパラメータを動かすだけで、色温度を変えることができ、黒体輻射に近づけるという調整が必要ない可変色発光ダイオード素子及び可変色発光ダイオードモジュール及び可変色発光ダイオード照明器具を得ることを目的とする。

この発明に係る可変色発光ダイオード素子は、ＬＥＤチップを含むＤＵＶが−６〜６の範囲の第１の白色発光部分と、ＬＥＤチップを含み前記第１の白色発光部分とは発光色の相関色温度が２０００Ｋ以上低く、かつ、ＤＵＶが−６〜６の範囲の第２の白色発光部分とを備え、この２種類の白色発光部分をそれぞれ独立に発光を制御できるように配線してモールドすることを特徴とする。

この発明に係る可変色発光ダイオード素子は、前記第１の白色発光部分と前記第２の白色部分の相関色温度の差を４０００Ｋ以下とし、それぞれのＤＵＶをＤＵＶ１、ＤＵＶ２とすると、０≦ＤＵＶ１＋ＤＵＶ２、−３≦ＤＵＶ１≦６、−３≦ＤＵＶ２≦６を満たすようにしたことを特徴とする。

この発明に係る可変色発光ダイオード素子は、ＬＥＤチップを含むＤＵＶが−６〜６の範囲の第１の白色発光部分と、ＬＥＤチップを含み前記第１の白色発光部分とは発光色の相関色温度が２０００Ｋ以上低く、かつ、ＤＵＶが−６〜６の範囲の第２の白色発光部分とを備え、この２種類の白色発光部分をそれぞれ独立に発光を制御できるように配線してモールドすることにより、２種類の発光部分を制御する２種類の信号の比率を変化させるだけでよく、しかもこの比率の広い範囲で一般照明に適した発光色となる可変色ＬＥＤ素子を得ることができる。

実施の形態１を示す図で、可変色ＬＥＤ素子を示す平面図である。実施の形態１を示す図で、可変色ＬＥＤ素子を示す正面図である。実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子群の発光エネルギー比と相関色温度、ＤＵＶを示す図である。実施の形態１を示す図で、発光色ｘ，ｙ色度座標を示す図である。実施の形態１を示す図で、発光色の一例を示す図４の拡大図である。実施の形態２を示す図で、発光色の一例を示す図４の拡大図である。実施の形態３を示す図で、可変色ＬＥＤ素子を示す平面図である。実施の形態４を示す図で、可変色ＬＥＤモジュールを示す配線図である。実施の形態４を示す図で、実施の形態１に対して配線パターンの異なる可変色ＬＥＤ素子を示す概略配置・平面図である。実施の形態４を示す図で、実施の形態１に対して配線パターンの異なる可変色ＬＥＤモジュールを示す概略配置・配線図である。従来の可変色ＬＥＤ素子を示す平面図である。従来の可変色ＬＥＤ素子を示す平面図である。

実施の形態１．
図１、２は実施の形態１を示す図で、図１は可変色ＬＥＤ素子の平面図、図２は可変色ＬＥＤ素子の正面図である。図において、単色発光部分２１は、黄色あるいはオレンジ色、例えば、主波長が略５７５ｎｍから５９０ｎｍであるＬＥＤチップである。白色発光部分２２は、この場合、青色ＬＥＤチップ２３と、これを覆うように設けたエポキシ樹脂に黄色蛍光体を分散させた第１の樹脂層２４とからなる。

各ＬＥＤチップは、それぞれ一方の極である底面を、基板２５の導通部分である共通パターン１１を介して共通端子７に固定・接続するとともに、各ＬＥＤチップのそれぞれ上面にあるもう一方の極を別々の端子８、９にボンディングによって接続してある。さらに、上面全体を第２の樹脂層２６でモールドしている。なお、黄色蛍光体は、一例ではＣｅを付活したイットリウムアルミネート蛍光体である。また、楕円筒２７は第１の樹脂層の高さをそろえてを再現性良く形成する。

共通端子７と接続する側を例えばマイナス側になるようにＬＥＤチップを接続してある場合、もう一方の各ＬＥＤのプラス側端子８、９に、別々に電流を制御した電源系（図示せず）に接続すると発光が得られ、さらに各々に流れる電流に対して、その電流値を制御あるいはパルス幅制御することにより、ｘ，ｙ色度座標において単色発光部分単独の発光のｘ，ｙ色度座標と白色発光部分２２単独の発光のｘ，ｙ色度座標を結ぶ線分上の任意の光源色を得ることができる。

白色発光部分２２は、相関色温度を略５０００Ｋから９０００Ｋとするが、一例では約６０００Ｋとし、ＤＵＶを−２．４とするとともに、単色発光部分２１のＬＥＤチップの主波長を５８５ｎｍで、半値幅が２０ｎｍのものとした。この２種類の発光部分の発光エネルギーの比率を上述のように変更したが、その結果を図３に示す。この例では約６０００Ｋから約３０００Ｋまで変化さえることができる。

ＤＵＶの許容範囲について調べるため、居間を再現し、相関色温度を２６００Ｋから９０００Ｋの間で、ＤＵＶを変化させ、被験者による照明空間としての評価を行った。その結果、
（１）この相関色温度の範囲では、ＤＵＶが、略−６から＋６であれば良いこと、この範囲をはずれると緑っぽいあるいは、紫っぽいと感じる場合があること、
（２）一般照明においては、相関色温度が２７００Ｋから７０００Ｋ、高くても８０００Ｋのランプが用いられており、この範囲で変化できればいいが、高色温度側の相関色温度が８０００Ｋ以下の場合、相関色温度が２０００Ｋ程度変化すれば、部屋の雰囲気が変化し、可変色照明としての価値があることなどが明らかになった。

上記の例では、図３に示すように相関色温度を変化させた範囲内でＤＵＶが−６から６の範囲に入っており、一般照明用として十分な範囲の発光が得られることがわかる。

図４は実施の形態１を示す図で、発光色のｘ，ｙ色度座標を示す図である。図４に、ｘ，ｙ色度座標に黒体輻射（ＤＵＶ＝０）、ＤＵＶが−６と＋６の曲線、及び、半値幅が０の理想的な単色発光の色度座標を示している。上記の単色発光部分の発光は、ここでは半値幅が２０ｎｍ程度以下のピーク発光を意味し、ここで問題としている領域では、その色度座標は、理想的な単色発光の色度座標に近い。

図５は、このｘ，ｙ色度座標の一部を拡大したものである。例えば、相関色温度６０００Ｋ、ＤＵＶ＝０の白色発光部分に対して、４０００Ｋまで、相関色温度を変化させようとすると、図５において、４０００Ｋから６０００Ｋまで、ＤＵＶが−６から６の範囲に限定される破線で挟まれた領域が、その許容された範囲ということになる。従って、この例では、この破線と理想的な単色発光を示す曲線との交点から、単色発光部分の主波長はほぼ５７８ｎｍから５８４ｎｍの範囲であればよいことがわかる。

白色発光部分の光源色が上記の例と異なった光源色をもち、さらに変化させる相関色温度の範囲が異なる場合も図５の破線と同様な考え方で、対応する単色発光部分の主波長を決めることができる。色温度可変の範囲を２０００Ｋとすれば、白色発光部分の相関色温度が５０００Ｋから９０００Ｋの範囲で、概略、以下の式が示す範囲であればよい。

（０．０００２Ｔｃ−０．９）Ｄｕｖ−０．００３Ｔｃ＋５９７≦λ≦（０．０００１５Ｔｃ−０．０５）Ｄｕｖ＋５８３．５
但し、Ｔｃは相関色温度、ＤｕｖはＤＵＶ、λ（ｎｍ）は主波長を示す。

尚、ｘ，ｙ色度座標はＣＩＥ１９３１色度図におけるものであり、その定義・計算方法はＪＩＳＺ８７２４により、また、相関色温度、ＤＵＶの定義・計算方法はＪＩＳＺ８７２５によるものとする。また、主波長は、新編色彩科学ハンドブック第２版ｐ１１２に記載されている方法で計算され、白色点としてｘ＝０．３３３３，ｙ＝０．３３３３を用いている。

上述の実施の形態によれば、黄色あるいはオレンジ色の単色に発光するＬＥＤチップからなる単色発光部分２１と、青色ＬＥＤチップ２３を覆うようにエポキシ樹脂に黄色蛍光体を分散させた第１の樹脂層２４を設けた白色発光部分２２とを独立に制御できるように配線し、上面全体を第２の樹脂層２６でモールドしていることにより、２種類の発光部分を制御する２種類の信号の比率を変化させるだけでよく、しかもこの比率の広い範囲で一般照明に適した発光色となる可変色ＬＥＤ素子を得ることができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、図１または図２において、単色発光部分２１が青色、例えば主波長が略４７０ｎｍから４８５ｎｍのＬＥＤチップであり、また、白色発光部分２２の色温度を略２７００Ｋから５０００Ｋの低色温度とした点が実施の形態１と異なり、他の構成は同様である。

白色発光部分２２は、この例では、青色ＬＥＤチップ２３と、黄色と赤色の２カ所にピークを持つ蛍光体をエポキシ樹脂に分散させた第１の樹脂層２４からなり、相関色温度を２７００Ｋから５０００Ｋとした。一例では、白色発光部分２２の相関色温度を約３０００Ｋ、ＤＵＶを０とし、単色発光部分２１の主波長を４８３ｎｍとして、その発光出力比を変化させることによって、３０００Ｋから７０００Ｋまで、発光色を変化させることができ、さらにその相関色温度の範囲で、ＤＵＶが−６から６の範囲になるため、快適な照明空間を作ることができるようになった。

この場合も、単色発光部分２１の主波長は、図４を拡大した図６を用いて、図５で示したと同様な方法で、決めることができる。

尚、第１の樹脂層２４の構成要素である蛍光体は、いわゆるＣｅを付活したイットリウムアルミネート蛍光体に微量のＥｕを付活させることにより、ＤＵＶの絶対値を小さくしたままで相関色温度を低くしたものであるが、別の赤色蛍光体と実施の形態１の一例で用いた黄色蛍光体を混合したものでも同様な効果がある。

実施の形態３．
図７は実施の形態３を示す図で、可変色ＬＥＤ素子の平面図である。図において、第１の白色発光部分２２ａは、この例では、青色ＬＥＤチップ２３と、これを覆うように設けたエポキシ樹脂に黄色蛍光体を分散させた第１の樹脂層２４とからなり、例えば、６０００Ｋから７０００Ｋの高い相関色温度で発光する。第２の白色発光部分３０は、この例では、青色ＬＥＤチップ３１と、これを覆うように設けたエポキシ樹脂に黄色からオレンジ色の蛍光体を分散させた第１の樹脂層３２とからなり、第１の白色発光部分２２ａより相関色温度が２０００Ｋ以上低い、例えば３０００Ｋから４０００Ｋで発光する。

各々の青色ＬＥＤチップ２３、３１は、それぞれ一方の極である底面を、基板２５の共通パターン１１を介して共通端子７に固定・接続するとともに、青色ＬＥＤチップ２３、３１のそれぞれ上面にあるもう一方の極を別々の端子８、９にボンディングによって接続してある。

さらに、上面全体を第２の樹脂層でモールドしている。なお、上記蛍光体は、第１の白色発光部分２２ａについては、一例ではＣｅを付活したイットリウムアルミネート蛍光体、第２の白色発光部分３０については、一例ではＣｅに加えて微量のＥｕを付活したイットリウムアルミネート蛍光体である。

上記のように発光色を最低限の２０００Ｋだけ可変にするためには、この２種類の白色発光部分の発光色の相関色温度に少なくとも２０００Ｋの差が必要であるが、さらにその可変する範囲において、ＤＵＶが−６から６までの範囲に入っている必要がある。これは図４乃至６において、それぞれ第１、第２の白色発光部分の色度座標を結ぶ直線がＤＵＶ−６から６の間に入っていればよい。

例えば、相関色温度を７０００Ｋと３０００Ｋとすると、ＤＵＶが両者とも０から６の間なら良く、相関色温度の可変幅を４０００Ｋ以下とすると概略、０≦ＤＵＶ１−ＤＵＶ２、−６≦ＤＵＶ１，２≦６とすればよいことがわかる。

実施の形態４．
図８は実施の形態４を示す図で、可変色ＬＥＤモジュールを示す配線図である。実施の形態４による可変色ＬＥＤモジュールは、図８にその一部を示すように、実施の形態１乃至３の可変色ＬＥＤ素子４０を１個あるいは複数個、基板４１上に固定し、基板の配線パターンにより、可変色ＬＥＤ素子の端子７、８、９を独立させて配線し、場合によっては、電流を制御する。

例えば抵抗４２、４３を端子８、９にそれぞれ直列に接続して基板の端子４４、４５、４６へと接続されている。端子４４を共通端子として、端子４５と端子４６に別な電源から、例えば、独立にコントロールされたデューティ比を持つ、１００Ｈｚの矩形波の電圧を印加して、発光出力を独立に制御する。実施の形態１乃至３の可変色ＬＥＤ素子を用いているため、可変色ＬＥＤモジュールが得られる。

この例では、発光出力は直流の電圧あるいは電流を直接変化させて制御するのではなく、一定の直流電圧を目でチラツキと見えない一定周波数、例えば１００Ｈｚでｏｎ−ｏｆｆし、そのｏｎの時間ｔ（ｏｎ）とｏｆｆの時間ｔ（ｏｆｆ）の比率で制御するが、これにより、発光出力がｔ（ｏｎ）／｛ｔ（ｏｎ）＋ｔ（ｏｆｆ）｝で決まるため、正確な制御ができるという利点がある。

この例のＬＥＤモジュールでは電流を制御する抵抗などを備えているが、ＬＥＤモジュールに接続する電源が電流を制限する機能を持っていても良い。

さらに照明器具として、このＬＥＤモジュールおよび電源を設置・固定し、さらに外部から電源へ光色を変化させる信号を与える機構あるいは自動的に光色を変化させる手段を具え、さらに光を空間的に制御するために、場合によって反射板や拡散板を具えるなど従来の照明器具の機能を備えることにより、可変色ＬＥＤ照明器具を得ることができる。

実施の形態１乃至３で例示したものと異なった種類の蛍光体を用いても、色度座標さえ同様な位置の白色発光が得られれば同様な効果があるのはもちろんであり、さらにＬＥＤを用いた違う形態の白色発光部分でも良い。例えば、紫外線を発光するＬＥＤチップと３種類の蛍光体を混合した３波長形の蛍光体との組み合わせでも良いし、実質的に独立させないで制御するなら、複数個の発光の異なるＬＥＤチップを組み合わせて白色発光部分を構成しても良い。

また、いずれの実施の形態も、１個にパッケージされたＬＥＤ素子に含まれるＬＥＤチップの一方の極は共通としているが、この方が、素子としては簡単で良いという利点はある。これに対して、それぞれの素子のプラスとマイナスの端子をすべて独立して設けても良い。

図９に実施の形態１に対して配線を変更したＬＥＤチップの例、図１０にそれを用いたＬＥＤモジュールの構成例を示す。この場合、従来のものは６端子、実施の形態１乃至３においては４端子設ける必要はあるが、モジュールにした場合、同じ光色に対応する複数の素子の端子を直列に接続することができ、抵抗４２、４３の数を減らせる、高い電圧をかけることができるなどの利点があり、使い勝手が優れている。図１０は３個の可変色ＬＥＤ素子に対して２個の抵抗しか用いておらず、また、各光色に対して、直流１２Ｖを印加するようになっている。

７共通端子、８，９端子、１１共通パターン、２１単色発光部分、２２白色発光部分、２２ａ第１の白色発光部分、２３青色ＬＥＤチップ、２４第１の樹脂層、２５基板、２６第２の樹脂層、２７楕円筒、３０第２の白色発光部分、３１青色ＬＥＤチップ、３２第１の樹脂層、４０可変色ＬＥＤ素子、４１基板、４２，４３抵抗、４４〜４６基板の端子。

Claims

ＬＥＤチップを含むＤＵＶが−６〜６の範囲の第１の白色発光部分と、ＬＥＤチップを含み前記第１の白色発光部分とは発光色の相関色温度が２０００Ｋ以上低く、かつ、ＤＵＶが−６〜６の範囲の第２の白色発光部分とを備え、この２種類の白色発光部分をそれぞれ独立に発光を制御できるように配線してモールドすることを特徴とする可変色発光ダイオード素子。
前記第１の白色発光部分と前記第２の白色部分の相関色温度の差を４０００Ｋ以下とし、それぞれのＤＵＶをＤＵＶ１、ＤＵＶ２とすると、０≦ＤＵＶ１＋ＤＵＶ２、−３≦ＤＵＶ１≦６、−３≦ＤＵＶ２≦６を満たすようにしたことを特徴とする請求項１記載の可変色発光ダイオード素子。