JP2016028371A - 固体照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光の色度または色温度の制御が可能な固体照明装置を提供する。
【解決手段】固体照明装置は、光源部と、光変換層と、方向変換部と、エネルギー変換素子と、機能素子と、を有する。光源部は、固体発光素子を有する。光変換層は、固体発光素子からの光ビームを吸収して波長変換光に変換する波長変換材を含み、発光スペクトルが異なる照明光を放出する２つの領域を有する。方向変換部は、光ビームが導入される入射部と光ビームを光変換層に向けて照射する照射部とを有する。エネルギー変換素子は、光または熱を電気に変換する。機能素子は、エネルギー変換素子により発生した電気エネルギーを用いて、方向変換部からの光ビームの照射方向を第１領域と第２領域との間で変化する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、固体照明装置に関する。

ハロゲンランプなどの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode)などの固体発光素子を用いて照明装置を構成すると、長寿命とすることができる。

このような固体照明装置（ＳＳＬ：Solid−State Lighting)では、青紫色〜青色の波長範囲の放出光と、放出光の一部を用いて蛍光体などの波長変換材から放出される波長変換光と、を混合して照明光を得ることができる。

固体発光素子としてＬＥＤを用いる場合、発熱とドループ（droop）の影響を低減するために、電流密度および熱抵抗を低減することが必要である。すなわち、ＬＥＤチップを大面積化しかつアレイ状に配置することが多い。

もし、光ファイバーなどを用いて放出光を発光部まで導光し固体発光素子から離間させると、波長変換層などを含む発光部の発熱が低減されかつ電気的接続が不要となる。しかしながら、電気的接続を行わないと、照明光の色度や配光特性の制御が困難となる。

国際公開第２００７／０９９８２７号

ランプ部を電源に接続すること無しに、照明光の色度または色温度の制御が可能な固体照明装置を提供する。

実施形態の固体照明装置は、光源部と、光変換層と、方向変換部と、エネルギー変換素子と、機能素子と、を有する。前記光源部は、固体発光素子を有する。前記光変換層は、前記固体発光素子からの光ビームを吸収して波長変換光に変換する波長変換材を含み、発光スペクトルが異なる照明光を放出する２つの領域を有する。前記方向変換部は、前記光ビームが導入される入射部と前記光ビームを前記光変換層に向けて照射する照射部とを有する。前記エネルギー変換素子は、光または熱を電気に変換する。前記機能素子は、前記エネルギー変換素子により発生した電気エネルギーを用いて、前記方向変換部からの光ビームの照射方向を前記第１領域と前記第２領域との間で変化する。

ランプ部を電源に接続すること無しに、照明光の色度または色温度の制御が可能な固体照明装置が提供される。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａに沿った模式断面図、である。 図２（ａ）は機能素子のオフ状態の作用を説明する模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は機能素子のオン状態の作用を説明する模式斜視図、図２（ｄ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図３（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。 図４（ａ）は第２の実施形態の作用を説明する模式斜視図、図４（ｂ）は第１領域の照射状態の模式斜視図、図４（ｃ）は第２領域の照射状態の模式斜視図、図４（ｄ）は第３領域の照射状態の模式斜視図、である。 第３の実施形態の模式斜視図である。 図６（ａ）は第３の実施形態の固体照明装置の第１状態における作用を説明する模式断面図、図６（ｂ）はその第２状態における作用を説明する模式断面図、である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａに沿った模式断面図、である。
固体照明装置は、光源部１０、光変換層３０、方向変換部２２、エネルギー変換素子６０、および機能素子７０を有する。

光源部（ライトエンジン）１０は、固体発光素子を有する。固体発光素子１２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）とすることができる。光源部１０からの光ビームＧ１を光ファイバー束１００などを用いて導光すると、光源部１０で生じる熱が光変換層３０まで伝導しない。このため、光変換層３０の近傍では温度上昇を抑制できる。

また、固体発光素子をＬＤとすると、光広がり角を４０度×２５度などと狭くできるので、光ファイバー束１００への入射効率を高めることができてより好ましい。光ファイバー束１００の長さは、数メートルなどと短くてよい。

光源部１０は、駆動回路１３、１６とヒートシンク（図示せず）とをさらに有することができる。本図において、固体発光素子１２は、光出力が１ＷなどのＬＤとしその数を２０などとする。なお、ＬＤの数は２０に限定されない。この場合、ＬＤの消費電力に応じてヒートシンクのサイズを決める必要がある。

また、光源部１０は、機能素子７０を駆動する信号の制御に用いる光ＩＲを放出する固体発光素子１５をさらに含む。信号の制御に用いる光ＩＲの発光波長は、照明光の発光波長と同じでもよいが、照明には影響を与えない赤外光（７００〜１０００ｎｍの発光波長範囲）などとすることができる。信号の制御用の光ＩＲの出力は小さくてよい。

なお、光ファイバー束１００の一方の端部と固体発光素子１２との間にレンズＬ１などを設けて光ビームを集光すると光ファイバー束１００への入射効率をより高めることができる。ＬＤの数が２０の場合、光ファイバー束１００はそれぞれの導光路として光ファイバー１０１〜１２０を含むことができる。それぞれの光ファイバーは、プラスチック光ファイバーなどとすることができる。なお、照明光ＧＴに用いる固体発光素子１２の発光波長は、青紫色（４０５ｎｍ）〜赤色光（７００ｎｍ）などの範囲とする。

光変換層３０は、固体発光素子１２からの光ビームを拡散して散乱光に変換する光拡散剤、または光ビームを吸収して波長変換光に転換する波長変換材を有する。光変換層３０は、分割された複数の領域を含み、それぞれの領域から放出された照明光は、発光スペクトルが異なる。

光拡散層には、拡散透過率の高い材料を含む光拡散粒子が樹脂層などに分散して配置される。このため、粒子による散乱が増加しコヒーレンスを低下することができる。なお、光散乱粒子は、ポリメタクリル酸メチルや炭酸カルシウムなどとすることができる。

また、固体発光素子１２からの青紫色光（発光波長：４０５ｎｍ）〜青色光（発光波長：４９０ｎｍ）である光ビームＧ１を波長変換材に吸収させて波長変換光を放出させる場合、光変換層３０は、緑色ＹＡＧ（Yttrium-Aluminum-Garnet)蛍光体、黄色ＹＡＧ蛍光体、赤色ＹＡＧ蛍光体などを含む波長変換層とすることができる。

また、固体照明装置は、高熱伝導率を有する金属やセラミックスからなる熱伝導部５０を有することができる。熱伝導部５０の第１の面５０ａには、たとえば、凹部５０ｂが設けられる。凹部５０ｂは、第１の面５０ａから後退し、深さ方向に向かって断面の幅が狭くなる内壁５０ｃを有する。また、凹部５０ｂの中心軸５０ｅの周りには凹部５０ｂと連続した貫通孔５０ｄがさらに設けられる。

図１（ｂ）において、熱伝導部５０、内壁５０ｃに設けられた凹面反射層４０および凹面反射層４０に設けられた光変換層３０は、ランプ部２０を構成する。凹部５０ｂの上端部は、略８ｍｍの径などとすることができる。

また、固体照明装置は、凹部５０ｂを覆うように拡散板４５を有することができる。拡散板４５は光拡散剤などを含むことができ、異なる色温度のランプ部２０内の微妙な位置の相違を目立たなくして、一様な発光面とすることができる。また、拡散板４５は、緑色波長変換層などを含むことができる。

方向変換部２２は、貫通孔５０ｄを貫通するように設けられ、一方の端部が光ビームの入射部となり、他方の端部が照射部２２ａとなる。他方の端部を斜め研磨すると、導光された光ビームＧ１の狭い広がり角を維持しつつ、たとえば、垂直面内において９０度出射方向を変え、光変換層３０を照射できる。また、照射方向は水平面内で３６０度変化可能であることが好ましい。方向変換部２２は、外径２ｍｍの円筒におさまるサイズなどとする。

また、凹面反射層４０を高熱伝導率を有する金属とすると、光反射率を９０％以上に保ちつつ波長変換層における波長変換ロスによって生じた熱を熱伝導部５０を介して外部に逃すことが容易となる。

第１の実施形態ではエネルギー変換素子６０は、太陽電池６０ａのような光−電気変換素子とする。太陽電池６０ａは、アレイ状に配列された半導体ｐｎ接合などからなり、光照射により光起電力を生じる。

太陽電池６０ａの光起電力による電気エネルギーを機能素子７０の駆動に利用する場合、光信号ＩＲを駆動信号用の光ファイバー１２１を介してスイッチ素子９１へ伝送する。光ファイバー１２１の遠端開口部に配置したフォトダイオード８０に電流が流れると、ＴＩＡ（Trans-Impedance Amplifier）９０への入力信号となる。たとえば、ＴＩＡ９０の出力信号Ｖoutをトリガーとしスイッチ素子９１がオンとなり、太陽電池６０ａの光起電力が機能素子７０へ供給される。なお、光起電力により発生した電気エネルギーは、蓄電池９３などに蓄えることができる。

この結果、機能素子７０を駆動可能となり、ランプ部２０から放出された照明光ＧＴの色度や色温度などを変化することができる。機能素子７０は、たとえば、圧電素子７０ａのような電気−機械素子とすることができる。

なお、エネルギー変換素子６０は、ランプ部２０の凹部５０ｂおよび貫通孔５０ｄの内部において、光変換層３０が設けられておらず常に光ビームＧ１の散乱光の一部や照明光の一部が照射される領域に設けるとよい。特に、凹面反射層４０により反射されにくく光取り出し効率に寄与しない無駄な光が照射される領域に設けることが好ましい。すなわち、図１（ｂ）のように、貫通孔５０ｄの内壁などに設けることが好ましい。貫通孔５０ｄの内部は、方向変換部２２を可動させる空間が必要である。すなわち、この空間や方向変換部２２自体を介して貫通孔５０ｄに戻る迷光を利用するとよい。

光変換層３０が蛍光体からなる場合、凹面反射層４０の表面に設けられた蛍光体は発光スペクトルのピーク波長が異なる複数の蛍光体が混合されたものとすることができる。たとえば、図１において、光変換層３０の第１領域３１は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率で含む。また、光変換層３０の第２領域３２は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率とは異なる第２の混合比率で含む。また、光変換層３０の第３領域３３は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率および第２の混合比率とは異なる第３の混合比率で含む。第１領域３１を第１の面５０ａの側に、第３領域を貫通孔５０ｄの側に設ける。

このような波長変換層の第１〜第３の領域３１、３２、３３を同心円状に設けることができる。また、たとえば、図１（ａ）において、貫通孔５０ｄに近い側には色温度が高く、遠ざかるに従って色温度が低くなるように連続的に変化させてもよい。中心軸５０ｅに沿って光ビームＧ１の照射位置を変えると、波長変換光と青色散乱光との合成である照明光ＧＴの色度をチューニング（変化）することができる。

図２（ａ）は機能素子のオフ状態の作用を説明する模式斜視図、図２（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、図２（ｃ）は機能素子のオン状態の作用を説明する模式斜視図、図２（ｄ）はＡ−Ａ線に沿った模式断面図、である。
方向変換部２２は貫通孔５０ｄを貫通するように設けられている。方向変換部２２の照射部２２ａは斜め研磨面を含むものとし、光ビームＧ１は研磨面で反射されたのち光変換層３０を照射する。機能素子７０のオフ状態において、高い色温度である青みを帯びた照明光が放出される。もし照明光ＧＴの色温度を低くする場合、図２（ｃ）、（ｄ）に表すように、太陽電池６０ａの光起電力が圧電素子７０ａに加えられ、機能素子７０がオン状態となり、方向変換部２２の照射部２２ａを上方に移動する。この結果、色温度が低い照明光ＧＴを得ることができる。なお、図２（ａ）、（ｃ）では、拡散板４５を配設する前の状態を表す。

また、圧電素子７０ａを用いて、方向変換部２２を微小振動させれば、スペックルノイズを低減することができる。このために、照明光ＧＴのコヒーレンス性を低下させ、照明光ＧＴの安全性を高めることができる。圧電材料としては、水晶、ベルリナイト、電気石などを用いることができる。

第１の実施形態では、電気配線によりランプ部２０へ電気エネルギーを供給することなく、光伝送系のみで機能素子７０を駆動し、照明光ＧＴの色度や色温度などを制御できる。

図３（ａ）は第２の実施形態にかかる固体照明装置の模式斜視図、図３（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った模式」断面図、である。
第２の実施形態では、波長変換層である光変換層３０は、熱伝導部５０の傾斜した凹部５０ｂの中心軸５０ｅの周りの異なる位置に扇状に分割された第１領域３４、第２領域３５、および第３領域３６を有する。

波長変換層の第１領域３４は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率で含む。また、波長変換層の第２領域３５は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率とは異なる第２の混合比率で含む。また、波長変換層の第３領域３６は、第１の波長変換材（たとえば緑色蛍光体）と第２の波長変換材（たとえば赤色蛍光体）とを第１の混合比率および第２の混合比率とは異なる第３の混合比率で含む。

波長変換層の第１領域３４〜第３領域３６は、凹部５０ｂの中心軸５０ｅの周りに扇形に配置することができる。第１〜第３領域３４、３５、３６は、照射された光ビームＧ１を吸収し波長変換光と、波長変換層に吸収されずに光ビームから変換された散乱光と放出することができる。この結果、色度や色温度が異なった照明光をそれぞれの領域から放出できる。図３（ａ）、（ｂ）において、第１〜第３領域３４、３５、３６は中心軸５０ｅに関して、略対称となる位置のペアで設けられているが、本発明はこれに限定されない。

図４（ａ）は第２の実施形態の作用を説明する模式斜視図、図４（ｂ）は第１領域の照射状態の模式斜視図、図４（ｃ）は第２領域の照射状態の模式斜視図、図４（ｄ）は第３領域の照射状態の模式斜視図、である。
図４（ａ）のように、貫通孔５０ｄの内部に配設された方向変換部２２は、凹部５０ｂの中心軸５０ｅの周囲に回転可能である。すなわち、機能素子７０はモーターなどの回転機構を有しており、方向変換部２２を中心軸５０ｅの周囲で、所定の角度に回転させることができるものとする。

図４（ｂ）のように、方向変換部２２の出射部２２ａは、波長変換層の第１領域３４に向けて光ビームＧ１を照射し、第１領域３４の波長変換層の組成に応じた波長変換光と波長変換層により多重反射された青色散乱光とが混合された照明光ＧＴを放出する。

この照明光ＧＴの色度または色温度が所望範囲ではない場合、たとえば、図４（ｃ）のように、方向変換部２２を回転して、光ビームＧ１を第２領域３５に向けて照射する。この照明光ＧＴの色度や色温度が所望範囲ではない場合、図４（ｄ）のように、方向変換部２２をさらに回転し、光ビームＧ１を第３領域３６に向けて照射する。このように、電源とランプ部２０とを電気的に直接接続することなく、照明光ＧＴの色度や色温度を制御することができる。

図５は、第３の実施形態の模式斜視図である。
光変換層３０は、光拡散剤を含む第１領域３７、赤色波長変換材を含む第２領域３８および緑色波長変換材を含む第３領域３９とすることができる。第１領域３７に向けて青色ＬＤ光ビームを照射すると光散乱剤による青色散乱光を単色の照明光ＧＴとして放出できる。第２領域３８に向けて青色ＬＤ光ビームを照射すると赤色波長変換光を単色の照明光ＧＴとして放出できる。また、第３領域３９に向けて青色ＬＤ光ビームを照射すると単色の緑色波長変換光を照明光ＧＴとして放出できる。このように、第１〜第３の領域３７、３８、３９からの放出光の発光スペクトルは異なっている。

また、たとえば、光変換層３０は、黄色波長変換材を含む第２領域３８および第３領域３９とすることができる。黄色蛍光体の含有量などを変えることにより第２領域３８の黄色光強度と第３領域３９の黄色光強度とを異なるようにすると、色度の異なる白色光を得ることができる。また、光変換層３０は、光散乱剤を黄色波長変換材と共に含んでいてもよい。

図６（ａ）は第３の実施形態の固体照明装置の第１状態における作用を説明する模式断面図、図６（ｂ）はその第２状態における作用を説明する模式断面図、である。
第３の実施形態では、エネルギー変換素子６０は、ゼーベック効果素子６０ｂとする。ゼーベック効果は、異なる金属または半導体に温度差を設けると電圧が発生する効果である。なお、ゼーベック効果とペルチェ効果とは可逆である。ゼーベック効果素子６０ｂは、たとえば、波長変換層と熱伝導部５０の内壁５０ｃとの間に設けられる。ゼーベック効果素子６０ｂの一方の面は波長変換層（高温側）に接し、他方の面は熱伝導部５０の内壁（低温側）５０ｃに接する。温度により生じる起電力により、機能素子７０を機械的に駆動することができる。

また、機能素子７０は、たとえば、反射角を変化可能な微小なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems)ミラー７１であるものとする。図６（ａ）の第１状態における入射角よりも大きくなるように第２状態の微小ミラーの角度を変化すると、反射された光ビームは、第１状態の波長変換層の照射位置よりも上方の位置を照射できる。このため、照明光ＧＴの色度や色温度を制御できる。ＭＥＭＳ７１のサイズは微小なので、電力消費量は小さくてよく光エネルギーも小さくてよい。

また、機能素子７０は、回転移動や直線移動をするものに限定されない。たとえば、光路を変化して照射位置を変える光スイッチなどとしてもよい。

第１〜第３の実施形態の固体照明装置によれば、ランプ部２０を電源に接続すること無しに、照明光ＧＴの色度や色温度の制御が可能である。また、ランプ部２０は、固体発光素子を有していないので、小型・軽量化が容易となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 光源部、１２、１５ 固体発光素子、２０ ランプ部、２２ 方向変換部、２２ａ 照射部、３０ 光変換層、４０ 凹面反射層、５０ 熱伝導部、５０ａ 第１の面、５０ｂ 凹部、５０ｃ 内壁、５０ｄ 貫通孔、５０ｅ 中心軸、６０ エネルギー変換素子、６０ａ 太陽電池、６０ｂ ゼーベック効果素子、７０ 機能素子、１００ 光ファイバー束、１２１ 光ファイバー、９３ 蓄電池、Ｇ１ 光ビーム、ＧＴ 照明光

Claims (9)

1. 固体発光素子を有する光源部と、
   前記固体発光素子からの光ビームを吸収して波長変換光に変換する波長変換材を含み、発光スペクトルが異なる照明光をそれぞれ放出する２つの領域を有する光変換層と、
   前記光ビームが導入される入射部と前記光ビームを前記光変換層に向けて照射する照射部とを有する方向変換部と、
   光または熱を電気に変換するエネルギー変換素子と、
   前記エネルギー変換素子により発生した電気エネルギーを用いて、前記方向変換部からの照射方向を前記第１領域と前記第２領域との間で変化させる機能素子と、
   を備えた固体照明装置。
2. 前記光変換層の第１領域は、第１の波長変換材と第２の波長変換材とを第１の混合比率で含み、第１の波長変換光と前記第１領域に吸収されずに前記光ビームから変換された散乱光とを放出し、
   前記光変換層の第２領域は、前記第１の波長変換材と前記第２の波長変換材とを第１の混合比率とは異なる第２の混合比率で含み、第２の波長変換光と前記第２領域に吸収されずに前記光ビームから変換された散乱光とを放出し、
   前記照明光の色度または色温度を変化可能な請求項１記載の固体照明装置。
3. 前記光変換層の第１領域は、第１の波長変換材を含み、第１の波長変換光と前記第１領域に吸収されずに前記光ビームから変換された散乱光とを放出し、
   前記光変換層の第２領域は、前記第１の波長変換材を含み、前記第１の波長変換光の光出力とは異なる光出力を有する第２の波長変換光と前記第２領域に吸収されずに前記光ビームから変換された散乱光とを放出し、
   前記照明光の色度または色温度を変化可能な請求項１記載の固体照明装置。
4. 前記光変換層の第１領域は、第１の波長変換材を含み、第１の波長変換光と前記第１の波長変換材に吸収されずに前記光ビームから変換された散乱光とを放出し、
   前記光変換層の第２領域は、光拡散剤を有し、前記光ビームから変換された散乱光を放出し、
   前記照明光の色度を変化可能な請求項１記載の固体照明装置。
5. 第１の面、前記第１の面から後退した凹部、および前記凹部の底部と連続し前記熱伝導部を貫通する貫通穴を有する熱伝導部と、
   前記凹部の内壁と前記光変換層との間に設けられた凹面反射層と、
   をさらに備え、
   前記方向変換部は、前記貫通孔を貫通する請求項１〜４のいずれか１つに記載の固体照明装置。
6. 前記光変換層は、前記第１の面の側に前記前記第１領域を有し、前記底部の側に前記第２領域を有する請求項５記載の固体照明装置。
7. 前記光変換層は、前記凹部の中心軸の周りの異なる位置に前記第１領域および前記第２領域とをそれぞれ有する請求項５記載の固体照明装置。
8. 前記エネルギー変換素子は、前記貫通孔の内壁に設けられた太陽電池、または前記凹面反射層と前記熱伝導部との間に設けられたゼーベック効果素子である請求項５〜７のいずれか１つに記載の固体照明装置。
9. 前記機能素子は、圧電素子、ＭＥＭＳミラーおよび光スイッチのいずれかを含む請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体照明装置。

Images