(57)【要約】【課題】白熱電球をＬＥＤ光源に置換できるようにすること【解決手段】光を異なるカラーの光に変換する少なくとも２つの異なる波長変換材料を含む波長変換要素（１１０）と共に、わずかに異なるポンピング波長を有する複数の発光ダイオードＬＥＤチップ（１０２）を使用する、均一な高輝度の光源（１００）が提供される。チューニング可能なＣＣＴ白色ポイントを発生するように、ＬＥＤチップ（１０２）が発生する光の強度を変えることができる。波長変換要素（１１０）は、例えば蛍光体またはルミネッセンスセラミックのスタック（１１１、１１２、１１３）または混合物（１１４）とすることができる。更に、ＬＥＤチップ（１０２）は、すべて同じ技術を用いて製造され、異なるタイプのチップを製造しなくてもよいので、光源（１００）の製造プロセスが簡略化される。【選択図】図１
2010514153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
５ｎｍ以上異なる波長を有する光を各々が発生する少なくとも２つの発光ダイオードチップと、全体に少なくとも２つの発光ダイオードチップによって発生される光を受けるように取り付けられた波長変換要素とを備え、前記波長変換要素は、前記少なくとも２つの発光ダイオードチップからの光を異なるカラーの光に変換する少なくとも２つの異なる波長変換材料を含む光源。
【請求項２】
前記波長変換要素は、波長変換膜のスタックを含む、請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記波長変換要素は、前記２つの発光ダイオードチップからの光を異なるカラーの光に変換する前記異なる波長変換材料の混合物を含む、請求項１に記載の光源。
【請求項４】
前記異なる波長変換材料の混合物は、ほぼ均質である、請求項３に記載の光源。
【請求項５】
前記波長変換要素は、１つ以上のルミネッセンスセラミックを含む、請求項１に記載の光源。
【請求項６】
前記波長変換要素は、１つ以上の蛍光体の層を含む、請求項１に記載の光源。
【請求項７】
前記少なくとも２つの発光ダイオードチップが取り付けられている少なくとも１つのサブマウントを更に備える、請求項１に記載の光源。
【請求項８】
前記少なくとも１つのサブマウントが取り付けられているヒートシンクと、前記ヒートシンクに結合され、前記波長変換要素を保持する支持体とを更に含む、請求項７に記載の光源。
【請求項９】
前記少なくとも１つのサブマウントは、１つのサブマウントであり、前記少なくとも２つの発光ダイオードチップは、この１つのサブマウントに取り付けられている、請求項７に記載の光源。
【請求項１０】
前記波長変換要素が発生する光を受けるように位置しており、検出した光の強度に応答して信号を発生する少なくとも１つの光検出器と、前記少なくとも２つの発光ダイオードチップと、前記少なくとも１つの光検出器に結合されており、前記少なくとも１つの光検出器が発生した信号に応答し、前記発光ダイオードチップのうちの少なくとも１つが発生する光の強度を制御するドライブ回路とを更に含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１１】
前記少なくとも２つの発光ダイオードチップと前記波長変換要素との間に位置する波長選択要素を更に含む、請求項１に記載の光源。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの発光ダイオードチップと前記波長選択要素との間に位置するコリメータ要素と、前記波長選択要素と前記波長変換要素との間に位置する集光要素とを更に含む、請求項１１に記載の光源。
【請求項１３】
前記少なくとも２つの発光ダイオードチップは５０ｎｍまたはそれ未満だけ異なる波長を有する光を発生する、請求項１に記載の光源。
【請求項１４】
各チップが約５ｎｍより大きい値だけ異なる範囲の波長を有する光を発生するように、複数の発光ダイオードチップから光を発生するステップと、
波長変換要素を使って、前記複数の発光ダイオードチップからの光の一部を少なくとも２つの異なるカラーの光に変換し、前記波長変換要素に前記複数の発光ダイオードチップからの光の他の部分を透過させ、変換された光と透過した光との組み合わせを発生するステップと、
前記少なくとも１つの発光ダイオードチップからの光の強度を変更し、前記波長変換要素によって変換された光の少なくとも１つのカラーの強度を変えることにより、変換された光と透過した光との組み合わせの白色ポイントを制御するステップとを備える方法。
【請求項１５】
少なくとも１つのサブマウントに前記複数の発光ダイオードチップを取り付けるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのサブマウントをヒートシンクに取り付けるステップと、前記ヒートシンクに結合された支持体の上に前記複数の発光ダイオードチップを覆う前記波長変換要素を取り付けるステップとを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記波長変換要素を形成する波長変換膜のスタック内で、前記複数の発光ダイオードチップからの光の一部の変換を実行する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記波長変換膜のスタックは、１つ以上のルミネッセンスセラミックを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記波長変換膜の前記スタックは、１つ以上の蛍光層を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記波長変換要素内の異なる波長変換材料の混合物により、前記複数の発光ダイオードチップからの光の一部の変換を実行する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記異なる波長変換材料の前記混合物はほぼ均質である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記変換された光と前記透過した光の組み合わせを検出し、これに応答して信号を発生するステップと、前記光検出器が発生した信号に応答し、少なくとも１つの発光ダイオードチップからの光の強度を変えるステップとを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記検出するステップと前記変更するステップとを連続的または周期的に実行する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記検出するステップと前記変更するステップを１回実行する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
波長選択要素に複数の発光ダイオードチップからの光を透過させるステップと、
前記波長選択要素により、前記波長変換要素からの変換された光を戻すように反射するステップとを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記波長選択要素を透過する前に、複数の発光ダイオードチップからの光をほぼコリメート化するステップと、
前記波長選択要素を透過した後であって、前記波長変換要素に入射する前に前記複数の発光ダイオードチップからの光を集光するステップとを更に含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
発光ダイオードチップの少なくとも１つのグループから光を発生するステップを更に備え、１つのグループ内の各チップは、約５ｎｍ未満の値だけ異なる、ある範囲の波長を有する光を発生する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
各チップは、約５０ｎｍ未満だけ異なる範囲の波長を有する光を発生する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色光を発生する光源に関し、特に、相関化された所望する色温度（ＣＣＴ）を有する光を発生するマルチ発光ダイオードを使用する光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、従来の白熱光電球を発光ダイオード（ＬＥＤ）に置き換える傾向がある。例えば、交通制御シグナルおよび自動車ブレーキライトは、現在ではＬＥＤを使って製造されている。白熱光電球はＬＥＤと比較して、例えばエネルギーの効率および寿命の点で不効率であるので、従来の白熱光電球を１つ以上のＬＥＤに置き換えることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、所定の照明用途では、白熱電球をＬＥＤに置換するのに特別な問題がある。例えば、極めて目に付き易い一部の照明用途、例えばアクセントランプまたはスポットライトは、相関化された特別な色温度（ＣＣＴ）を有する白色光を必要とする。ＬＥＤのスペクトル分布、例えばＣＣＴまたはホワイトポイントを制御することが困難であるという理由から、かかる照明用途において白色光電球をＬＥＤに置換することには、問題がある。更に、白熱光電球を置換する際に、ＬＥＤ光源はコンパクトな形状係数を有していることが重要である。すなわち白熱光電球よりも大きくないことが重要であり、このことが問題を複雑にしている。更に例えばムード、シーンおよび個人の好みのために調節できる、色のチューニングが可能なランプが望まれている。したがって、白熱光を発生できるＬＥＤ光源の改善が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態によれば、光を異なるカラーの光に変換する少なくとも２つの異なる波長変換材料を含む波長変換要素と共に、若干ポンピング波長が異なる複数のＬＥＤチップを使用する、チューニング可能なＣＣＴ白色点光源が提供される。波長変換要素は、複数のＬＥＤチップからの光を受光し、この光の少なくとも一部を異なるカラーに変換する。波長変換要素は、例えば蛍光体またはルミネッセンスセラミックのスタックまたは混合物とすることができる。ＬＥＤチップによって発生された光の強度は、波長変換要素によって変更される光の少なくとも１つのカラーの強度を変え、その結果得られる光の白色ポイントを制御するように変更できる。更に同じタイプのＬＥＤチップを使用することにより、１つ以上のサブマウントの近くに複数のＬＥＤチップを取り付けることができ、この結果、コンパクトで高輝度の構造となる。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態にかかわる光源の側面図である。
【図２】光源と共に使用できる複数のＬＥＤのアレイの斜視図を示す。
【図３】異なるカラーのＬＥＤを使用するアクセントランプの側面図を示す。
【図４】図３のアクセントランプで使用される複数のＬＥＤの平面図を示す。
【図５】波長変換要素の異なる実施形態のうちの１つの側面図を略図で示す。
【図６】波長変換要素の異なる実施形態のうちの１つの側面図を略図で示す。
【図７】波長変換要素の異なる実施形態のうちの１つの側面図を略図で示す。
【図８】波長変換要素の異なる実施形態のうちの１つの側面図を略図で示す。
【図９】波長変換要素を形成するようにスタックまたは混合することができる緑色、赤色およびＹＡＧ蛍光プレートに対する吸光および発光スペクトルを示すグラフである。
【図１０】光源の別の実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、ポンピング波長が若干異なる複数の発光ダイオードチップと共に、波長変換要素を使用して、チューニング可能なＣＣＴホワイトポイントを有する均一な高輝度の光源が製造される。波長変換要素は、少なくとも２つの波長変換材料を含み、これら材料は光を異なるカラーの光に変換し、例えば蛍光体またはルミネッセンスセラミックスのスタックまたは混合物とすることができる。この結果得られるデバイスのＣＣＴは、望ましい白色光を発生するように制御できるので、光源を、例えばスポットまたはアクセントランプタイプの用途またはコンパクトな白色光源が望まれる他の用途に適すようにすることができる。
【０００７】
図１は、本発明の一実施形態に係わる光源１００の側面図である。光源１００は、例えばアクセント光用途として使用できる、チューニング可能なＣＣＴ白色ポイントを有する光を発生できる。ＬＥＤ１０２のアレイの上には波長変換要素１１０が取り付けられ、この要素は、例えばヒートシンク１０４に取り付けられるか、またはこのヒートシンクと一体的に形成された支持体１０５により保持される。波長変換要素１１０からの光を合焦し、所望する光分布パターンを形成するように、反射光学系１０６が位置している。これら反射光学系１０６は、例えば支持体１０５を介してヒートシンク１０４に取り付けてもよいし、または波長変換要素１１０からの光を受けるように光学的に結合させることができる。一実施形態では反射光学系１０６に光強度検出器１２０を取り付け、この検出器をドライブ回路１２２に結合できる。この光強度検出器１２０は、例えばスペクトルメータでもよいし、別の実施形態では、検出器１２１が示すように異なるレンジの波長を有するスペクトルフィルタと共に２つ以上の検出器を使用してもよい。この光強度検出器１２０は、波長変換要素１１０によって発生される光の強度を測定し、この強度に応答し、ドライブ回路１２２は、アレイ内の個々のＬＥＤ１０２の光の強度を制御する。例えばドライブ回路１２２は、所定のダイの光強度を変更するようにパルス変調または電流制御を使用できる。この方法とは異なり、ドライブ回路１２２が所定のダイをオンオフしたり、所定のダイへの電力を増減してもよい。
【０００８】
アレイ内のＬＥＤ１０２は、全体に同じカラー、例えば青色の光を発生するが、この光の波長は、所定の値だけ、例えば約５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍまたはそれ以上であるが、約５０ｎｍ未満だけ意図的に異なっている。同じカラーを有するＬＥＤ１０２を使用することは、同じダイ技術を使ってすべてのＬＥＤを製造できるので有利である。したがって、異なるタイプのＬＥＤ１０２を製造しなくてもよいので、製造プロセス全体を簡略化できる。更に、すべてのＬＥＤ１０２に対する取り付け条件は同一であるので、ＬＥＤ１０２の取り付けが簡略化される。したがって、同じサブマウント上に互いに接近した状態でＬＥＤ１０２を取り付けできる。所望すれば、点線１０３が示すように、２つ以上のサブマウントを使用することもできる。ＬＥＤを電気的にグループ分けしてもよいと理解すべきである。この場合、ＬＥＤのグループは、波長が約５ｎｍより少ない値しか異なっていない。すなわちこれらＬＥＤは同じビンからのものであるが、アレイ内の他のＬＥＤまたはＬＥＤのグループは、波長が約５ｎｍまたはそれ以上異なる。
【０００９】
図２は、光源１００と共に使用できるＬＥＤチップ１０２の斜視図を示す。上記のようにＬＥＤ１０２は、同じダイ技術から製造されるので、これによって少なくとも１つのサブマウント１３０の上にダイを接近させた状態に置き、輝度を改善できる。サブマウント１３０には静電荷放電（ＥＳＤ）回路１３１も取り付けできる。セラミックスまたは他の適当な材料とすることができるサブマウント１３０は複数の電気リード線１３４と共にダイレクト接合銅（ＤＢＣ）基板１３２に取り付けられる。このＤＢＣ基板１３２は、機械式締結具または適当な機構、例えばエポキシにより、図１に示されるヒートシンク１０４に接続される。上記のように、２つ以上のＬＥＤ１０２は、波長が若干異なるが全体として同じカラー、例えば青の光を発光する。例えばＬＥＤ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃは、それぞれ約４３０ｎｍ、４５０ｎｍおよび４７０ｎｍの波長の光を発生する。
【００１０】
比較のために図３は、異なるカラーのＬＥＤ１２を使用するアクセントランプ１０の側面図を示し、図４は、これらＬＥＤ１２の平面図を示す。ランプ１０は異なるタイプのＬＥＤ１２、例えば青色ＬＥＤ１２ｂ、緑色ＬＥＤ１２ｇおよび赤色ＬＥＤ１２ｒを使用し、所望の異なるカラーを発生するようになっている。これらＬＥＤ１２はヒートシンク１４に取り付けられている。ＬＥＤ１２は異なるカラーの光を発生するので、発生した光を混合するのに統合ロッド１６が使用されている。この統合ロッド１６のアウトラインは、図４内で円形の点線によって示されているが、この統合ロッド１６は別の形状、例えば六角形でもよい。図３に示されるように統合ロッド１６の端部にはレンズ１８が結合されており、このレンズは所望する分布の光を発生するように使用されている。
【００１１】
上記光源１００と比較すると、異なるタイプのＬＥＤ１２を使用する結果、明るさが低くなるだけでなく、製造も困難になる。例えば異なるタイプのＬＥＤ１２は別々に製造しなければならない。更に異なるタイプのＬＥＤは異なる取り付け条件を満たさなければならない。したがって、図４に示されるように、別個のサブマウント１３に異なるＬＥＤが取り付けられ、ＬＥＤ１２の間のギャップは比較的大きいので、光源の面積が広くなっている。したがって、ランプ１０は明るさが失われるだけでなく、コンパクトさも失われるという問題を有する。更にＬＥＤ１２は異なるカラーの光を発生するので、例えば長い統合ロッド１６を使用して光を混合しなければならず、この結果、アクセントランプ１０は大きくなる。
【００１２】
また、図１に戻ると、波長変換要素１１０は、２つ以上の波長変換材料を含む。例えば波長変換要素１１０は、異なる波長変換材料のスタック、例えば多数の蛍光体の層のスタックでもよいし、またこれとは異なり、多数の蛍光体の混合物を含む単一層でもよい。一実施形態では、波長変換要素１１０は異なるルミネッセンスセラミックのスタックでもよいし、まはた異なるタイプのルミネッセンス材料の混合物を含む単一のルミネッセンスセラミックでもよい。例えばＹＡＧ、ＳＳＯＮ、ＢＳＳＮおよび／またはｅＣＡＳを含むルミネッセンスセラミックを使用できる。したがって、波長変換要素１１０は良好に組み合わされた光を発生し、統合された光学系の使用を必要としない。よって光源１００をコンパクトな構造とすることができ、この光源は均一な光を発生する。
【００１３】
図５〜８は、ＬＥＤ１０２のアレイの上に支持体５によって保持されている波長変換要素１１０の異なる実施形態の側面図を略図で示す。図５は、例えば異なる波長変換材料を含む異なる波長変換層１１１、１１２および１１３のスタックを含むような波長変換要素１１０を示す。これら層１１１、１１２、１１３は、例えば蛍光プレートおよび／またはルミネッセンスセラミックとすることができる。波長変換層１１１、１１２、１１３は、それぞれ緑色光、赤色光および黄色光を発光する材料を含む。図６は、例えば緑色光発光材料、赤色光発光材料および黄色光発光材料の混合物を含む単一層１１４としてのマルチカラー波長変換要素１１０を示す。図７に示されるように、波長変換要素１１０の他の実施形態も可能である。例えば垂直方向ではなく、互いに水平方向に、異なる波長変換材料１１５、１１６および１１７を位置決めするような実施形態も可能である。図８は、波長変換要素１１０が水平方向に位置する波長変換材料１１８および１１９と、開口部１１０ａとを含み、この開口部を通って、変換されていないポンピング光が発生される。
【００１４】
図５〜８は、２つ以上の波長変換材料を含む波長変換要素１１０の例であると理解すべきである。所望すれば、図５〜８に示された異なる実施形態または異なる実施形態の組み合わせも使用できる。例えば図５と６とを組み合わせ、波長変換層のスタックを製造することができ、この場合、１つの層は２つ以上の波長変換材料の混合物を含む。これとは異なり、波長変換材料のスタックまたは混合物（例えば図５および６）と共に水平方向に位置する波長変換材料および／または開口部（例えば図７および８）を含めることができる。これら波長変換材料は別個のキャリアプレート上にスプレーコーティングしてもよいし、またはスクリーンプリントしてもよい。例としてスクリーンプリントする場合、互いに異なるロッドが隣接するように、異なる波長変換材料をプリントできる。カラーを混合するためには波長変換材料とＬＥＤとの間の距離が所定の値となっていることが有利である。
【００１５】
波長変換要素１１０内の２つ以上の波長変換材料は、異なる吸光および励起特性を有する。かなりの値だけ波長が異なる２つ以上のＬＥＤ１０２からの光の強度を変えることにより、この結果得られる光のスペクトル分布、例えば波長変換要素１１０から前方に発生される光および波長変換要素１１０を透過するＬＥＤ１０２からのポンピング光を制御し、ある公称値を中心とする所望する白色ポイントＣＣＴを発生できる。
【００１６】
図９は、緑色、赤色およびＹＡＧ蛍光プレートに対する吸光および発光スペクトルを示すグラフであり、これら蛍光プレートは、波長変換要素１１０を形成するようにスタックまたは組み合わせできる。理解できるように、ＹＡＧは比較的狭い吸光スペクトルを有するが、赤色および緑色蛍光体はより広い蛍光スペクトルを有する。
【００１７】
図９は、上記のようにＬＥＤ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃによって発生できる４３０ｎｍ、４５０ｎｍおよび４７０ｎｍの波長を破線で示す。ＬＥＤ１０２によって発生する異なる波長の強度を制御することにより、光源１００によって発生される光のカラーポイントを変更できる。例えば４５０ｎｍでの青色光の強度を変えることにより、赤色（および緑色）変換された光に対するＹＡＧ（黄色）変換された光の比を変更できる。ＬＥＤ１０２は、ＹＡＧが吸収する波長、例えば４５０ｎｍでより大きい強度を有する青色光を発生する場合、ＹＡＧ発光が増加し、よってより暖かい白色カラーポイントを発生する。４５０ｎｍの青色光の強度を小さくすることにより、ＹＡＧによってより少ない光を吸収し、よってＹＡＧの発光量を減少させ、より冷たい白色カラーポイントとすることができる。同様に、他の波長、例えば４３０ｎｍおよび４７０ｎｍの強度の変化を使用して、その結果生じる光のカラーポイントを変えることもできる。
【００１８】
ＬＥＤ１０２によって発生される光の強度の調節を、例えば組み立てられたランプ１００から発生される光を検査し、所望する白色ポイントを発生するよう異なるＬＥＤ１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃの強度を設定することによって、光源１００の製造中に、ＬＥＤ１０２が発生する光の強度の調節を行うことができる。これとは異なり、図１に示されるように、強度検出器１２０を使用することもできる。別の実施形態では、例えば調節の結果生じる光の所望するＣＣＴを発生するように、スタック内の波長変換層のうちの１つが所望する厚さとなるように層を変えることにより、波長変換要素１１０を調節してもよい。別の応用例では、エンドユーザーが異なるＬＥＤ（またはＬＥＤのグループ）への電流の比を変えることにより、エンドユーザーのニーズまたは好みにしたがってランプのカラーを調節するようにもできる。
【００１９】
図１０は、全体に同じカラーであるが、波長がかなり異なる光を発生する少なくとも２つのＬＥＤを含むＬＥＤ２０２のアレイと、少なくとも２つの異なる波長変換材料を含む波長変換要素２１０とを含む光源２００の別の実施形態である。これらＬＥＤ２０２のアレイはヒートシンク２０４に取り付けられている。例えば青色光を透過するが、これより長い波長の光を反射する波長選択要素２０８、例えばダイクロイックフィルタを透過する、ＬＥＤ２０２によって発生された光を、コリメータ要素２０６がほぼコリメート化するようになっている。波長変換要素２１０に入射すべき光を集光要素２０９が集光するようになっている。波長変換要素２１０から後方発光された光は、波長変換要素２０８によってリサイクルされ、波長変換要素２０８は光を波長変換要素２１０に戻るように反射する。波長変換要素２１０からの光を合焦し、所望する光の分布パターンを形成するように反射要素２１２が位置決めされている。図１０に示されるように、光源２００は、所望すれば光強度検出器２２０とドライブ回路２２２とを含むことができ、この回路は光源１００を参照して説明した回路と同様なものでよい。
【００２０】
以上で説明目的のために特定の実施形態に基づき本発明について説明したが、本発明はこれら実施形態だけに限定されるものではない。本発明の範囲から逸脱することなく、種々の適合および変形を行うことができる。したがって、特許請求の範囲はこれまでの説明に限定すべきではない。
【符号の説明】
【００２１】
１００  光源
１０２  ＬＥＤチップ
１１０  波長変換要素
１１１，１１２，１１３  スタック
１１４  混合物
【図１】
2010514153.tif 000003
【図２】
2010514153.tif 000004
【図３】
2010514153.tif 000005
【図４】
2010514153.tif 000006
【図５】
2010514153.tif 000007
【図６】
2010514153.tif 000008
【図７】
2010514153.tif 000009
【図８】
2010514153.tif 000010
【図９】
2010514153.tif 000011
【図１０】
2010514153.tif 000012
【国際調査報告】
2010514153.tif 000013
2010514153.tif 000014
2010514153.tif 000015