(57)【要約】【課題】１種類のＬＥＤチップのみを使用したＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】第１の光を放射するＬＥＤチップと、第１の光の少なくも一部を吸収して前記第１の光よりも波長の長い第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部とを備えたＬＥＤ光源である。蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示す曲線の勾配（ΔＫ／Δλ）の絶対値が１［％／ｎｍ］以上となる波長範囲に含まれるように第１の光の主波長が設定されている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を放射するＬＥＤチップと、前記第１の光の少なくも一部を吸収して前記第１の光よりも波長の長い第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部とを備えたＬＥＤ光源であって、
前記蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示す曲線の勾配の絶対値が１［％／ｎｍ］以上となる波長範囲に含まれるように前記第１の光の主波長が設定されているＬＥＤ光源。
【請求項２】
前記ＬＥＤチップは、入力電流に応じて前記第１の光の主波長を５ｎｍ以上変化させる請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項３】
前記波長変換部は、前記蛍光体を含む２種以上の蛍光体を含有している請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項４】
前記ＬＥＤチップは、基板上にフリップチップ状態で実装されている請求項１に記載のＬＥＤ光源。
【請求項５】
前記基板は、前記ＬＥＤチップのアノードおよびカソードに接続された配線パターンを有している請求項４に記載のＬＥＤ光源。
【請求項６】
請求項１〜５に記載のＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源から放射される光の色温度を変化させる色温度可変手段と、
を備えたＬＥＤ照明装置であって、
前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせ、前記ＬＥＤ光源から放射される光の色温度を変化させるＬＥＤ照明装置。
【請求項７】
前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤ光源のＬＥＤチップを駆動する電流を前記ＬＥＤチップに供給する回路を有しており、
前記電流の大きさを変えることによって前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせる請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項８】
前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤチップの温度を変化させる温度調節素子を有しており、
前記温度を変えることによって前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせる請求項６または７に記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項９】
前記温度調節素子は、ヒートシンクを有している請求項６から８のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項１０】
前記温度調節素子は、ペルチェ素子を有している請求項６から９のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【請求項１１】
前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤ素子の主波長を５ｎｍ以上シフトさせることができる請求項６から１０のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力電流の制御により光色可変を可能としたＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源およびＬＥＤ照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ照明装置には、（１）異なる発光波長域を有する複数種類のＬＥＤを組み合わせて白色光照明光を得るタイプの装置と、（２）１種類のＬＥＤと蛍光体とを組み合わせて白色光を得るタイプの装置とに大別することができる。
【０００３】
第１の色を発光する第１ＬＥＤチップと第２の色（第１の色とは異なる色）を発光する第２ＬＥＤチップとを備えたＬＥＤ照明光源の場合、各ＬＥＤチップを駆動する電流の大きさを変化させたり、発光させるＬＥＤチップを切り替えることにより、光色を変化させることができる。このような照明装置は、例えば特許文献１に開示されている。
【０００４】
以下、図１を参照しながら特許文献１に記載された従来のＬＥＤ照明装置を説明する。この装置は、図１に示す等価回路から明らかなように、第１の色を発光する第１ＬＥＤチップ３０１ａ、３０１ｂおよび第２の色を発光する第２ＬＥＤチップ３０２ａ、３０２ｂを備えており、４つのＬＥＤチップ３０１ａ、３０１ｂ、３０２ａ、３０２ｂが対向配置のダイオードブリッジを構成している。
【０００５】
第１ＬＥＤチップ３０１ａのアノードと第２ＬＥＤチップ３０２ｂのカソードとを接続する部分が電源入力端子３０３Ａに接続され、第２ＬＥＤチップ３０２ａのアノードと第１ＬＥＤチップ３０１ｂのカソードとを接続する部分が電源入力端子３０３Ｂに接続されている。また、第１ＬＥＤチップ３０１ａのカソードと第１ＬＥＤチップ３０１ｂのアノードとは、抵抗Ｒを介して接続されている。
【０００６】
このような構成を有するＬＥＤ照明装置において、電源入力端子３０３Ａに正の電位を与え、電源入力端子３０３Ｂに負の電位を与えると、抵抗Ｒを介して直列的に接続された２つの第１ＬＥＤチップ３０１ａ、３０１ｂを電流が流れるため、第１ＬＥＤチップ３０１ａ、３０１ｂが発光する。
【０００７】
次に、電源入力端子３０３Ａに負電位を与え、電源入力端子３０３Ｂに正電位を与えると、抵抗Ｒを介して直列的に接続された２つの第２ＬＥＤチップ３０２ａ、３０２ｂを電流が流れるため、第２ＬＥＤチップ３０２ａ、３０２ｂが発光する。
【０００８】
図１の構成を有する従来のＬＥＤ照明装置では、上記のようにして２種類のＬＥＤチップを選択的に発光させることにより、照明光の光色を変化させることが可能になる。
【特許文献１】特開平６−１８８４５７号公報（段落番号００１１〜００１４、図１を参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１に示す回路構成を有する従来のＬＥＤ照明装置では、第１の色を発光する第１ＬＥＤチップ３０１ａ、３０１ｂと第２の色を発光する第２ＬＥＤチップ３０２ａ、３０２ｂの２種類(複数個)のＬＥＤチップを使用しなければ、光色を変化させることができない。そのため、このタイプのＬＥＤ照明装置には、価格が高く、小型化が困難であり、しかも駆動回路が複雑になるという課題がある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされためものであり、その目的とするところは、１種類のＬＥＤチップを使用して、駆動電流の制御によって簡単に光色を変化させることができるＬＥＤ照明装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のＬＥＤ光源は、第１の光を放射するＬＥＤチップと、前記第１の光の少なくも一部を吸収して前記第１の光よりも波長の長い第２の光を発する蛍光体を含む波長変換部とを備えたＬＥＤ光源であって、前記蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示す曲線の勾配の絶対値が１［％／ｎｍ］以上となる波長範囲に含まれるように前記第１の光の主波長が設定されている。
【００１２】
好ましい実施形態において、前記ＬＥＤチップは、入力電流に応じて前記第１の光の主波長を５ｎｍ以上変化させる。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記波長変換部は、前記蛍光体を含む２種以上の蛍光体を含有している。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記ＬＥＤチップは、基板上にフリップチップ状態で実装されている。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記基板は、前記ＬＥＤチップのアノードおよびカソードに接続された配線パターンを有している。
【００１６】
本発明のＬＥＤ照明装置は、上記いずれかのＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源から放射される光の色温度を変化させる色温度可変手段とを備えたＬＥＤ照明装置であって、前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせ、前記ＬＥＤ光源から放射される光の色温度を変化させる。
【００１７】
好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤ光源のＬＥＤチップを駆動する電流を前記ＬＥＤチップに供給する回路を有しており、前記電流の大きさを変えることによって前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせる。
【００１８】
好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤチップの温度を変化させる温度調節素子を有しており、前記温度を変えることによって前記ＬＥＤチップが放射する光の主波長をシフトさせる。
【００１９】
好ましい実施形態において、前記温度調節素子は、ヒートシンクを有している。
【００２０】
好ましい実施形態において、前記温度調節素子は、ペルチェ素子を有している。
【００２１】
好ましい実施形態において、前記色温度可変手段は、前記ＬＥＤ素子の主波長を５ｎｍ以上シフトさせることができるＬＥＤ照明装置。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、蛍光体の内部量子効率の波長依存性を利用し、励起光の主波長を制御することによって蛍光体の発光効率を変化させ、ＬＥＤ照明光源から放射される照明光の分光分布を変化させることができる。このため、主波長が異なる複数種類のＬＥＤチップを用いることなく、簡単な駆動回路で色温度を変化させられる小型のＬＥＤ照明装置を安価に提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
まず、図２（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明によるＬＥＤ照明光源の基本的構成を説明する。図２（ａ）は、本発明によるＬＥＤ照明装置の断面構成例を示しており、図２（ｂ）は、その平面構成例を示している。
【００２４】
図示されているＬＥＤ照明装置は、電流を光に変換するＬＥＤチップ１０１と、ＬＥＤチップ１０１から放射された光の一部を吸収して吸収光の波長よりも長い波長の光を放出する波長変換部１０２と、ＬＥＤチップ１０１および波長変換部１０２を支持する基板１０３とを備えている。基板１０３は、ＬＥＤチップ１０１に電流を与える電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂを有している。電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂは、駆動回路（点灯回路）に接続される。
【００２５】
基板１０３上に搭載されたＬＥＤチップ１０１は、蛍光体を含む樹脂などから形成された波長変換部１０２によって被覆されている。ＬＥＤチップ１０１は、典型的には、例えば数ｍｍ角の略直方体の形状を有する化合物半導体素子から構成されている。波長変換部１０２は、例えば図２（ｂ）に示すようにＬＥＤチップ１０１の側面を完全に被覆する円柱形状を有している。
【００２６】
ＬＥＤチップ１０１は、好ましくはフリップチップ実装により基板１０３上に搭載されている。この場合、ＬＥＤチップ１０１のアノードおよびカソードの電極（不図示）は基板１０３上の電極と接触し、接着層を介して基板１０３の主面に固着している。
【００２７】
基板１０３は、例えば配線パターン層が形成された基板であり、ガラスエポキシ基板や放熱性の高い金属ベースを用いて作製される。
【００２８】
なお、図２（ａ）および（ｂ）に示す例では、１つの基板１０３上に１つのＬＥＤチップ１０１が配置されているが、複数のＬＥＤチップ１０１が１つの基板１０３上に集積されていても良い。その場合、波長変換部１０１は、個々のＬＥＤチップを別々に被覆するように設けられていても良いし、また複数のＬＥＤチップを１つの波長変換部が覆っていてもよい。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態では、図２（ｂ）に示す回路により、電源入力端子３０３Ａに正電位を、電源入力端子３０３Ｂに負電位を与えることにより、例えば５ｍＡの入力電流でＬＥＤチップ１０１を発光させる。すると、ＬＥＤチップ１０１は例えば５００ｎｍ以下に主波長を有する光を放射する。このとき、ＬＥＤチップ１０１を覆っている波長変換部１０２の蛍光体は、ＬＥＤチップ１０１から放射された光の少なくとも一部によって励起され、主波長よりも長波長側の光に変換して放射する。この結果、ＬＥＤチップ１０１から放射された光と蛍光体から生じる光（蛍光）とが混合して照明光が構成されることになる。
【００３０】
次に、本発明のＬＥＤ照明装置における色温度の可変原理を説明する。
【００３１】
図３は、典型的なＹＡＧ蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ、セリウム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネット）における内部量子効率の励起波長依存性を示すグラフである。図３の横軸は励起光の波長、縦軸は内部量子効率を示す。なお、「内部量子効率」とは、蛍光体に吸収された励起光の光量子数に対する蛍光の光量子数の割合を示す値である。ある波長に対する内部量子効率が高い場合、その波長の励起光の強度が同じでも、蛍光の強度が高まる。
【００３２】
図３からわかるように、励起光の波長に応じて内部量子効率の大きく変化する領域が存在している。ここで、ある波長λから波長を僅かに変化させた場合の内部量子効率の変化を考える。波長の変化量をΔλ、この変化に対応する内部量子効率の変化をΔＫとすると
き、Ｓ＝ΔＫ／Δλは、波長λにおける内部量子効率の「勾配」を示している。
【００３３】
図３の領域Ｉ（波長：３８０〜４１０ｎｍ）における勾配Ｓは正であるが、領域ＩＩ（波長：３５０〜３７０ｎｍ）における勾配Ｓは負である。本発明では、領域Ｉや領域ＩＩのように勾配Ｓの絶対値が大きな領域に主波長を有する光で蛍光体を励起する。すなわち、図３に示すような特性を有する蛍光体で波長変換部１０２を形成した場合、ＬＥＤチップ１０１の主波長を数ｎｍだけ変化させることができれば、蛍光体によって波長変換される光量子数が大きく変化するため、照明光の光色を広い範囲で変化させることが可能になる。
【００３４】
通常のＬＥＤ照明光源では、光の発光効率（ｌｍ／Ｗ）を最も重視するため、蛍光体は、その内部量子効率が最も高くなるように開発・調整される。したがって、図３に示すような内部量子効率特性を持つＹＡＧ蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ）を使用してＬＥＤ照明装置を作製する場合は、主波長が例えば４７０ｎｍになるようなＬＥＤチップが採用される。
【００３５】
このような従来の技術常識に反して、本発明では、蛍光体の内部量子効率が波長に依存して大きく変化する励起波長範囲をあえて積極的に利用する。より具体的には、５ｎｍの励起波長変化に対して、蛍光体の内部量子効率が５％以上変化する励起波長領域を利用する。すなわち、内部量子効率の励起波長依存性を示す曲線の勾配Ｓ［単位：％／ｎｍ］の絶対値が１［％／ｎｍ］以上となる領域を利用する。この勾配Ｓの絶対値が大きいほど、ＬＥＤチップから放射される光の主波長を僅かに変化させるだけで内部量子効率の大きな変化を引き起こすことができる。このため、勾配Ｓの絶対値の好ましい下限値は２［％／ｎｍ］であり、より好ましい下限値は、３［％／ｎｍ］である。
【００３６】
次に、図４および図５を参照しながら、蛍光体に与える励起光の波長変化方法を説明する。
【００３７】
図４は、ＩｎxＧａ1-xＮ系の青色ＬＥＤチップから放射される光のスペクトルが入力電流に依存性してどのように変化するかを示すグラフである。グラフの縦軸は光の強度、横軸は波長である。入力電流は１０μＡ（マイクロアンペア）から５０ｍＡ（ミリアンペア）まで１２段階で変化させている。入力電流の変化によってＬＥＤチップの温度が変化しないようにＬＥＤチップの表面温度を２５℃に保持している。すなわち、図４のグラフは、ＬＥＤチップの温度を一定にした場合における主波長の電流依存性を示している。
【００３８】
図４からわかるように、入力電流が１０μｍ〜５ｍＡの範囲では、ＬＥＤチップの主波長はほとんど変化しないが、入力電流を５ｍＡから５０ｍＡに増加させると、ＬＥＤチップの主波長を５ｎｍ程度短くすることができる。このようにチップ温度が一定に保たれている場合は、注入電流の増加によって主波長が短波長側にシフトする。
【００３９】
一方、図５は、ＬＥＤチップ温度を一定に保持しない状態で入力電流が２０ｍＡおよび８０ｍＡのときの放射光スペクトを示すグラフである。ＬＥＤチップの主波長は、注入電流を２０ｍＡから８０ｍＡに増加させることによって長波長側に５ｎｍ程度シフトしている。このシフト方向は、図４に示す場合とは逆である。このシフトは、電流を２０ｍＡから８０ｍＡに増加させることによってチップ温度が上昇したために生じ、図４に示すシフトとは原因が異なっている。
【００４０】
以上の説明から明らかなように、ＬＥＤチップの入力電流および温度を調節することにより、ＬＥＤチップから放射される光の主波長を５ｎｍ以上増減することができる。そして、ＬＥＤチップの放射する光の分光分布を僅かに変化させるだけでも、前述した蛍光体の内部量子効率変化の勾配が大きな波長域を利用すれば、照明光の光色を広い範囲で制御することが可能となる。
【００４１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００４２】
（実施形態１）
まず図６を参照する。図６は、本発明によるＬＥＤ照明装置の第１の実施形態の断面構成を示している。
【００４３】
図示されているＬＥＤ光源は、電流を光に変換するＬＥＤチップ１０１と、ＬＥＤチップ１０１から放射された光の一部を吸収して励起光波長よりも長い波長の光を放出する波長変換部１０２と、ＬＥＤチップ１０１および波長変換部１０２を支持する基板１０３とを備えている。基板１０３は、ＬＥＤチップ１０１に電流を供給するための電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂを有している。また、本実施形態では、基板１０３上にＬＥＤチップ１０１および波長変換部１０２を取り囲む開口部を有する反射板６０１が設けられている。この反射板６０１の開口部は、凹面状に傾斜した内壁面を有しており、この内壁面が反射面として機能する。電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂは、ＬＥＤチップ１０１を流れる電流を調節する回路（不図示）に接続されている。
【００４４】
ＬＥＤチップ１０１としては、フリップチップ方式で実装しやすい小型矩形形状のものを用いることが好ましい。具体的には、一辺の長さが０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度のチップを使用することが好ましい。本実施形態で用いるＬＥＤチップ１０１のサイズは、例えば０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×厚さ１ｍｍである。このＬＥＤチップ１０１は、後述するように、入力電流５ｍＡにおいて３９０ｎｍに主波長を有する青紫色ＬＥＤ素子である。
【００４５】
波長変換部１０２は、好適には円柱状の樹脂から形成され、ＬＥＤチップ１０１の周りを覆っている。本実施形態では、波長変換部１０２の蛍光体は、ＹＡＧ蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ）であり、その内部量子効率の波長依存性は図３に示すとおりである。本実施形態の波長変化部１０２は、例えばスクリーン印刷方式によって形成することができる。この場合、樹脂材料などからなる蛍光体ペーストをスキージなどの部材によってメタルマスク（孔版）上に塗布し、メタルマスクに設けた孔によって規定される形状を有する樹脂部を基板上１０３上の任意の位置に形成することができる。樹脂ペーストに含まれる蛍光体の重量比率は、例えば１５〜８５％程度に調節される。
【００４６】
本実施形態の基板１０３は、ガラスエポキシ基板から形成されている。この基板１０３のサイズは、例えば厚さが１ｍｍで平面サイズは５ｍｍ角である。基板１０３のサイズは用途によって任意の大きさに設定される。多数のＬＥＤチップを搭載できるように数ｃｍ角〜数十ｃｍ角の基板を用いても良い。
【００４７】
反射板６０１は、例えばアルミニウムなどの金属プレート（厚さ１ｍｍ程度）から形成され、基板１０３の主面に接着される。反射板６０１は、ＬＥＤチップ１０１及び蛍光体１０２から放射された光のうち、横方向に出た光を反射し、照明対象物の位置する方向へ偏向する。これにより、光の取出し効率が向上する。なお、反射板６０１の開口部を他の樹脂で埋めても良い。その樹脂にレンズ形状を付与すれば、光の集光率を更に高めることができる。
【００４８】
基板１０３上の電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂは、それぞれ、図７に示すように、ＬＥＤチップ１０１のアノードおよびカソードに接続されている。また、電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂは、それぞれ、駆動回路（色温度可変手段）に接続されている。ＬＥＤチップ１０１を流れる電流の大きさは、駆動回路が電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂに与える電位差を調節することにより、所定範囲で任意のレベルに制御される。
【００４９】
以下、図６に示すＬＥＤ照明装置の動作を説明する。
【００５０】
駆動回路によって電源入力端子３０３Ａに正電位、電源入力端子３０３Ｂに負電位を付与すると、ＬＥＤチップ１０１のアノード−カソード間に電流が流れる。この電流により、ＬＥＤチップ１０１の活性層に電荷（電子・正孔）が注入されるため、再結合によって生じた光がＬＥＤチップ１０１から発せられる。本実施形態で使用するＬＥＤチップ１０１からは、図８に示すスペクトルを持つ光が放射される。図８のグラフの縦軸は放射光の相対エネルギー（％）、横軸は波長（ｎｍ）である。図８からわかるようにＬＥＤチップ１０１から出る光は３９０ｍｍに主波長を有している（入力電流：５ｍＡ）。
【００５１】
ＬＥＤチップ１０１から出る光が図８に示すようなスペクトルを有しているため、波長変換部１０２の蛍光体は、主として波長３９０ｍｍの光によって励起され、ＬＥＤチップ１０１の主波長よりも波長の長い蛍光を発する。本実施形態における蛍光体の内部量子効率は、図３に示すように波長３９０ｎｍ及びその近傍で、３０％程度の内部量子効率を示し、その勾配Ｓは、＋３［％／ｎｍ］程度である。この蛍光体からは、５７０ｎｍにピークを有する黄色光が発せられる。
【００５２】
このようなＬＥＤチップ１０１および蛍光体１０２の各々から出た光が混合する結果、照明光は図９に示すように２つのピークを有する分光分布を示す。図９のグラフの縦軸は照明光の相対エネルギー（％）、横軸は波長（ｎｍ）である。
【００５３】
次に、電源入力端子３０３Ａに正電位、電源入力端子３０３Ｂに負電位を与えながら、入力電流の大きさを５ｍＡから４０ｍＡへ上昇させる。すると、ＬＥＤチップ１０１を流れる電流の大きさが増加し、発光波長の変化が引き起こされる。図１０は、入力電流が４０ｍＡのときにＬＥＤチップ１０１から放射される光のスペクトルを示している。図９からわかるように、主波長は３９５ｎｍであり、入力電流が５ｍＡのときの主波長（３９０ｎｍ、図８）に比べて５ｎｍ増大している。
【００５４】
波長変換部１０２の蛍光体は、主として波長３９５ｍｍの光によって励起され、ＬＥＤチップ１０１の主波長よりも波長の長い蛍光を発する。本実施形態の蛍光体の内部量子効率は、図３に示すように、波長３９５ｎｍ及びその近傍で、４５％程度の内部量子効率を示す。
【００５５】
このようなＬＥＤチップ１０１および蛍光体１０２の各々から出た光が混合する結果、照明光は図１１に示すように２つのピークを有する分光分布を示す。図１１の分光分布と図９の分光分布とを比較すると、入力電流が５ｍＡから４０ｍＡに増加するに伴って波長５７０ｎｍの発光の相対エネルギーが１０％程度増加することがわかる。その結果、照明光の色温度は大幅に変化する。すなわち、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡに変化させることにより、黄色蛍光体の内部量子効率が高い波長域の光成分が増加するため、蛍光体から放射される黄色の光の割合が増加し、色温度が低下することになる。
【００５６】
以上のように、本実施形態のＬＥＤ照明装置では、入力電流を調節してＬＥＤチップの発光波長を僅かにシフトさせるだけで、蛍光体から出る蛍光の相対エネルギーを大きく変化させることが可能になる。これは、蛍光体の内部量子効率が波長に応じて大きく変化する領域を積極的に利用することによって始めて実現することである。
【００５７】
なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０１として、主波長が３９０ｎｍのＬＥＤを用いているが、本発明は、これに限定されず、主波長が３１０ｎｍ〜４４０ｎｍの範囲内にあるＬＥＤ素子を用いることができる。ただし、青色光を発するＬＥＤチップ１０１を用いる場合は、発光の主波長が４４０ｎｍ程度のＬＥＤチップを用いることが好ましい。一方、青色を蛍光で補う場合は、ＬＥＤチップ１０１の主波長は紫外域、例えば３１０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲内にあってもよい。
【００５８】
なお、蛍光体１０２も、主波長５７０ｎｍのＹＡＧ蛍光体である必要はなく、主波長が５４０〜６００ｎｍの範囲内にある他の蛍光体であってもよい。
【００５９】
本発明では、ＬＥＤチップから放射される光の主波長を５ｎｍシフトさせることにより蛍光体から放射される光の相対エネルギーを大きく変化させる。このために、上記の主波長近傍において蛍光体の内部量子効率の勾配（波長依存性）が大きいことが好ましい。本実施形態では、５［％／ｎｍ］の勾配を有する波長域にＬＥＤチップの主波長を合わせているが、この勾配は、７［％／ｎｍ］以上であることが好ましく、１０［％／ｎｍ］以上であることが更に好ましい。
【００６０】
なお、上記の実施形態では、入力電流を増加する場合についての光色変化を説明しているが、入力電流を減少させることによっても光色を逆に変化させることができる。また、図３に示す曲線の勾配が正ではなく、負の波長域に主波長を持つＬＥＤチップを用いる場合は、電流の増加によって主波長を増加させると、蛍光体から放射される黄色光の割合が減少するため、前述した実施形態とは反対の光色変化を実現することができる。このように入力電流を増加させてＬＥＤチップから出る光の主波長を長くするときに、波長変換部の蛍光体から出る黄色光の割合が減少するＬＥＤ照明光源によれば、入力電流の増加によって発光効率が増加する領域で色温度を高くすることができる。
【００６１】
（実施形態２）
図１２を参照しながら、本発明によるＬＥＤ照明装置の第２の実施形態を説明する。図１２は、図３に示す特性とは異なる特性を有する蛍光体の内部量子効率を示している。
【００６２】
本実施形態のＬＥＤ照明装置は、図６に示す構成と同様の構成を有しており、本実施形態と実施形態１との間にある差異は、本実施形態では、主波長が４９０ｎｍ（入力電流５ｍＡ）の青色ＬＥＤチップ１０１を使用している点と、波長変換部１０２の蛍光体が、図１２に示す内部量子効率特性を有している点にある。図１２のグラフから明らかなように、励起波長が４９０ｎｍ以上になると、この蛍光体の内部量子効率は急激に減少する。
【００６３】
本実施形態では、入力電流が５ｍＡのとき、ＬＥＤチップ１０１から４９０ｍｍに主波長をもつ光が発せられる。ＬＥＤチップ１０１の周りを覆っている波長変換部１０２は、主に４９０ｍｍの光に励起されて５７０ｎｍにピークを有する蛍光を発する。
【００６４】
入力電流が４０ｍＡに増加すると、ＬＥＤチップ１０１が放射する光の主波長が４９０ｎｍから４９５ｍｍにシフトする。入力電流が５ｍＡのときに照明光に比べると、入力電流が４０ｍＡのときの照明光では、波長５７０ｎｍの光の相対エネルギーが１５％減少する。この結果、照明光の色温度は大幅に上昇することになる。すなわち、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡに増加させることにより、黄色の蛍光が少なくなるため、色温度が上昇する。
【００６５】
このように本実施形態のＬＥＤ照明装置によれば、図１２に示すような内部量子効率特性を示す蛍光体を用い、しかも内部量子効率に大きな勾配が生じている部分に主波長を有するＬＥＤチップを採用することにより、入力電流の変化のみによって光色の調節を行なうことができる。本実施形態では、ＬＥＤチップを駆動する電流を増加させるときに色温度を上昇させることができ、ＬＥＤ照明光源として好ましい利用が可能になる。すなわち、低電流時（暗いとき）には黄白であった照明光が、高電流時（明るいとき）には青白になるため、人間が照明に感じる快不快の傾向（クリニコフの快・不快曲線）に従った光色の変化を実現することができる。
【００６６】
なお、本実施形態では、ＬＥＤチップ１０１として、主波長が４９０ｎｍのＬＥＤを用いているが、本発明は、これに限定されない。図１２に示すような内部量子効率を示す蛍光体を使用する場合、主波長が４８０ｎｍ〜５２０ｎｍの範囲内にあるＬＥＤチップを用いることができる。また、蛍光体も、図１２に示すような内部量子効率を示すものに限定されず、主波長が５４０〜６００ｎｍの蛍光体であれば、他の蛍光体材料を用いてもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図１３は、本発明によるＬＥＤ照明装置の第３の実施形態を示している。
【００６８】
本実施形態では、ＬＥＤチップ１０１が通常のチップであり、電源入力端子３０３Ａ、３０３Ｂがリードフレームによって構成されている。また、電源入力端子３０３ＢとＬＥＤチップ１０１とは、ワイヤー１２０１によって電気的に接続されている。更に、ＬＥＤチップ１０１は、カップ状の反射板６０１の内部に固定されており、蛍光体を含有する樹脂からなる波長変換部１０２によって覆われている。ＬＥＤチップ１０１およびカップ状の反射板６０１は、レンズ機能を有するモールド樹脂１２０２によって完全に覆われている。
【００６９】
本実施形態のＬＥＤ照明装置は砲弾型であるが、実施形態１と同様に入力電流の増加によって放射する光の主波長をシフトさせることができる。ただし、リードフレームを有する構成であるため、放熱性が悪く、ＬＥＤチップ１０１で発する熱は、外部に速やかに逃されない。その結果、入力電流を増加させると、ＬＥＤチップ１０１の温度は上昇しやすく、その分、ＬＥＤチップから放射される光の主波長は長波長側にシフトしやすい。こうして、本実施形態でも実施形態１と同様に照明光の色温度を変化させることができる。
【００７０】
（実施形態４）
図１４は、本発明によるＬＥＤ照明装置の第４の実施形態を示している。
【００７１】
本実施形態の構成が実施形態２の構成と異なる点は、ＬＥＤチップ１０１の温度を調節する手段を備えている点にある。すなわち、本実施形態のＬＥＤ光源は、図１４に示すように基板１０３の裏面に接するヒートシンク１３０１を備え、また、冷風（室温程度の大気雰囲気）によってヒートシンク１３０１の放熱を促進する機構を有している。基板１０３も、熱伝導性に優れたメタルコンポジット基板から形成されている。
【００７２】
本実施形態におけるＬＥＤチップ１０１および波長変換部１０２は、実施形態１におけるＬＥＤチップ１０１および波長変換部１０２と同一の構成を有している。
【００７３】
本実施形態の構成によれば、ＬＥＤチップ１０１が入力電流の増加に伴って発熱しても、その熱は熱伝導性の高いメタルコンポジット基板１０３を介してヒートシンク１３０１へ流れ、速やかに放熱される。ヒートシンク１３０１は冷風によって冷却され、ＬＥＤチップ１０１の温度は常温（２５℃）に保たれる。
【００７４】
このような構成を有するＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤチップ１０３の発光スペクトルは、熱による影響をほとんど受けず、入力電流の大きさのみに依存して変化することになる。ＬＥＤチップの放射する光の主波長は、チップ温度を一定にした状態で入力電流を増加させると、前述したように短波長側にシフトする傾向がある。
【００７５】
本実施形態では、電源入力端子Ａに正電位を与え、電源入力端子Ｂに負電位を与えることより、入力電流を５ｍＡに設定すると、ＬＥＤチップ１０１からは３９０ｍｍに主波長を有する光が放射されるが、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡに上昇させると、ＬＥＤチップから放射される光の主波長は、図５に示すように、３９０ｎｍから３８５ｍｍへ短くなる。
【００７６】
このため、入力電流が５ｍＡのとき、波長変換部１０２の蛍光体は主に３９０ｍｍの光に励起されて主波長５７０ｎｍの黄色光を発するが、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡに上昇させると、波長変換部１０２の蛍光体は、主に３８５ｍｍの光に励起されて主波長５７０ｎｍの黄色光を発することになる。波長が３９０ｎｍのときの蛍光体の内部量子効率は３０％程度であるの対して、波長が３８５ｎｍのときの蛍光体の内部量子効率は１０％程度である。主波長のシフトにより、蛍光体から発する蛍光の強さが変化する。ＬＥＤチップ１０１から出た光と蛍光体１０２から出た光が重畳されて照明光が形成されるため、蛍光の割合が変化することにより、照明光の光色が変化する。
【００７７】
本実施形態では、入力電流の上昇により波長５７０ｎｍにおける光の相対エネルギーを１０％程度も減少させ、色温度を大きく上昇させることができる。このように本実施形態では、実施形態１におけるＬＥＤチップおよび蛍光体を使用しながら、入力電流のみならずチップ温度の制御も行なうことにより、クリニコフの快・不快曲線に従った照明光を提供することができる。
【００７８】
ＬＥＤチップ１０１の温度を制御する方法は、上記の方法に限定されない。ペルチェ素子を用いてＬＥＤチップ１０１および／または基板１０３の温度を高い精度で調節してもよい。
【００７９】
（実施形態５）
図１５は、本発明によるＬＥＤ照明装置の第５の実施形態を示している。
【００８０】
本実施形態の構成が、実施形態２の構成と異なる点は、波長変換部１０２の第２の蛍光体１４０１を混入している点にある。本実施形態で使用する第２の蛍光体１４０１が発する蛍光の主波長は４２０〜４８０ｎｍである。
【００８１】
ＬＥＤチップ１０１が放射する光の主波長は３１０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲内に設定されている。したがって、青色発光はＬＥＤチップ１０１の発光ではなく、第２の蛍光体１４０１を利用して補うことになる。
【００８２】
波長変換部１０２の第１の蛍光体がＹＡＧ蛍光体である場合、ＹＡＧ蛍光体から出る光には青色の光成分が少ない。このため、上記の波長範囲に主波長を有するＬＥＤチップ１０１を用いる場合、ＹＡＧ蛍光体だけでは、照明光の光色が黄色味を帯び、黒体軌跡から大きく外れてしまう。
【００８３】
本実施形態では、第２の蛍光体１４０１を付加的に使用することにより、光色を調整している。第２の蛍光体１４０１の発する光の主波長が４２０〜４８０ｎｍの範囲内になるように調節されることが好ましい。
【００８４】
なお、図１６に示すように、蛍光の主波長が６００〜７００ｎｍの範囲にある第３の蛍光体１５０１を付加することにより、更に光色の調整や演色性の調整を行う自由度が高まる。
【００８５】
以上の説明からわかるように、蛍光体の種類や温度調節機構の有無によって、種々の特性を持つＬＥＤ照明装置を実現することができる。
【００８６】
以下の表１は、本発明の実施例（サンプル１〜５）および比較例（サンプル６）について、温度制御機構の有無、主波長シフト、蛍光体の量子効率などを示している。
【００８７】
【表１】
2005276976.tif 000003
【００８８】
表１のサンプル１〜３は、ＬＥＤチップを実装した基板が小型のヒートシンク上に搭載されたものである。これに対して、サンプル４〜６は、ＬＥＤチップを実装した基板にペルチェ素子が設けられたものである。サンプル１〜３では、入力電流を増加させたとき、ＬＥＤチップの発熱による温度上昇を防ぐことができず、チップ温度が上昇する。一方、サンプル４〜６では、ペルチェ素子の働きにより、チップ温度を略室温程度に維持することができる。このため、低電流時（５ｍＡ）における主波長に対して高電流時（４０ｍＡ）における主波長が長くなるのか、短くなるのかの挙動に差が出る。低電流時および高電流時における主波長は、表１に示すとおりである。電流の増加により、サンプル１〜３では、主波長が５ｎｍ長くなるが、サンプル４〜６では、主波長が５ｎｍ短くなる。  上記のサンプル１〜６では、ＬＥＤチップを図３の内部量子効率を示す黄色蛍光体を含有する波長変換部で覆っている。サンプル１、２、４、および５では、この黄色蛍光体に加えて、図１７に示す内部量子効率を有する青色蛍光体を波長変換部に添加している。青色蛍光体の内部量子効率は、図１７に示すような波長依存性を有しているため、主波長のシフトにより、以下の表１に示すように増減する。なお、表１における「Up」は、表１に示す主波長シフトに伴って内部量子効率が増加することを意味し、「Down」は内部量子効率が低下することを意味する。なお、比較例であるサンプル６では、主波長が４３０ｎｍであるため、この光を励起光とする黄色蛍光体の量子効率変化は実施例に比べて小さい。
【００８９】
表２は、上記の構成を有するサンプル１〜６について、注入電流を５ｍＡから４０ｍＡへ増加させた場合、ＬＥＤ照明装置から放射される光（ＬＥＤチップから出る光と蛍光の混合光）の光色がどのように変化するかを示している（注入電流が５ｍＡのときの光色を「白」とする）。表２の最右欄は、明るさおよび光色の変化に伴って人が照明光から感じる心理的な快・不快を示している。表中、「○」は快適な場合を示し、「△」は、特に快・不快のいずれでもない場合を示している。
【００９０】
【表２】
2005276976.tif 000004
【００９１】
以下に示す表３は、サンプルＢ１〜Ｂ４について、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡを増加させることによってＬＥＤチップから放射される光の主波長がシフトした場合における色温度などの変化を示している。サンプルＡは、入力電流が５ｍＡのときの色温度などを示している。入力電流が５ｍＡのときＬＥＤチップから出る光の主波長は３１０ｎｍであり、サンプルＡから得られる照明光（ＬＥＤ光＋黄色蛍光＋赤色蛍光）の色温度は５９６０Ｋ（光色は白色）であった。
【００９２】
【表３】
2005276976.tif 000005
【００９３】
サンプルＢ１は、サンプルＡと同一の構造を有するＬＥＤ照明光源において、入力電流を５ｍＡから４０ｍＡに増加させたときのデータを示している。入力電流が４０ｍＡのときにＬＥＤチップから放射される光の主波長は３１５ｎｍであり、サンプルＢ１では、主波長３１５ｎｍにおける黄色蛍光体の内部量子効率はサンプルＡにおける値の９１．７６％に低下している。また、主波長３１５ｎｍにおける青色蛍光体の内部量子効率はサンプルＡにおける値の１０１．５５％に増加している。このように主波長のシフトが生じる結果、サンプルＢ１の照明光の色温度は６９９２Ｋ（光色は青白）に上昇し、色温度差は１０３２Ｋとなる。
【００９４】
サンプルＢ２〜Ｂ４は、サンプルＡ、Ｂ１とは異なり、表３に示すように大きく内部量子効率が変化した場合に色温度などがどのように変化するかを計算した結果である。表３からわかるように、ＬＥＤチップの主波長変化（５ｎｍの変化）に応じて蛍光体の内部量子効率がサンプルＡにおける値に対して±１０％変化すると、色温度が基準値に対して１０００Ｋ以上増減する。
【００９５】
このように、種々の特性を有する蛍光体を適切に組み合わせることにより、ＬＥＤチップから出る光の波長を５ｎｍ程度変化させるだけで照明光の光色を広範囲で制御することが可能である。なお、波長変換部１０２に用いる蛍光体の種類は１〜３種類に限定されず、４種類以上であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明のＬＥＤ照明装置は、１種類のＬＥＤチップを用いて照明光の光色を変化させることができるため、一般の照明用装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】色温度の調節が可能な従来のＬＥＤ照明装置の等価回路図である。
【図２】（ａ）は、本発明によるＬＥＤ照明装置の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、その平面図である。
【図３】ＹＡＧ蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】入力電流に対するＬＥＤチップの発光の主波長を示すグラブである。
【図５】入力電流による発熱に対するＬＥＤチップの発光の主波長を示すグラブである。
【図６】本発明の実施形態１におけるＬＥＤ照明装置を示す断面図である。
【図７】図６に示す実施形態の等価回路である。
【図８】３９０ｎｍに主波長を有するＬＥＤチップの発光の分光分布を示すグラフである。
【図９】実施形態１において、入力電流が５ｍＡのときのＬＥＤ照明装置の発光の分光分布を示すグラフである。
【図１０】３９５ｎｍに主波長を有するＬＥＤチップの発光の分光分布を示すグラフである。
【図１１】実施形態１において、入力電流が４０ｍＡのときのＬＥＤ照明装置の発光の分光分布を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態２における蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施形態３におけるＬＥＤ照明装置を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施形態４におけるＬＥＤ照明装置を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施形態５におけるＬＥＤ照明装置を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施形態６におけるＬＥＤ照明装置の断面を示す図
【図１７】青色蛍光体の内部量子効率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９８】
１０１  ＬＥＤチップ
１０２  波長変換部
１０３  基板
３０１ａ  第１ＬＥＤチップ
３０１ｂ  第１ＬＥＤチップ
３０２ａ  第２ＬＥＤチップ
３０２ｂ  第２ＬＥＤチップ
３０３Ａ  電源入力端子Ａ
３０３Ｂ  電源入力端子B
６０１  反射板
１２０１  ワイヤー
１２０２  モールド樹脂
１３０１  ヒートシンク
１３０２  冷風
１４０１  第２の蛍光体
１５０１  第３の蛍光体
【図１】
2005276976.tif 000006
【図２】
2005276976.tif 000007
【図３】
2005276976.tif 000008
【図４】
2005276976.tif 000009
【図５】
2005276976.tif 000010
【図６】
2005276976.tif 000011
【図７】
2005276976.tif 000012
【図８】
2005276976.tif 000013
【図９】
2005276976.tif 000014
【図１０】
2005276976.tif 000015
【図１１】
2005276976.tif 000016
【図１２】
2005276976.tif 000017
【図１３】
2005276976.tif 000018
【図１４】
2005276976.tif 000019
【図１５】
2005276976.tif 000020
【図１６】
2005276976.tif 000021
【図１７】
2005276976.tif 000022