JP2002289921A

JP2002289921A - Ｌｅｄモジュール

Info

Publication number: JP2002289921A
Application number: JP2001088732A
Authority: JP
Inventors: Keishin Aisaka; 敬信逢坂; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Ikuo Kato; 幾雄加藤; Kenji Kameyama; 健司亀山; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】ＬＥＤモジュールに関し、特に、ＬＥＤモジ
ュールに含まれる反射鏡の形状および構造に特徴を有
し、低発散角化、高光利用効率化、高輝度化並びに小型
化を図る上で好適なＬＥＤモジュールを提供する。【解決手段】曲面反射鏡とその前方に配置したＬＥＤ
発光素子４とを内包した胴部とレンズを有するＬＥＤモ
ジュール１において、前記胴部の光軸垂直方向の寸法を
Ｌ、反射鏡開口部の径をＤとするとき、Ｄ≦Ｌ≦２Ｄを
満たすように構成する。更に、前記反射鏡の開口面と前
記ＬＥＤモジュール１の先端との光軸上の長さが、前記
ＬＥＤモジュール１のレンズ部における光軸方向の長さ
以上とし、また、前記反射鏡の光軸上の長さが前記反射
鏡の光軸垂直方向長の半分以上とし、また、前記ＬＥＤ
モジュール１の光軸上後方端部と、前記反射鏡の光軸上
後方端部との差が零以上とし、また、前記レンズ部の形
状が、凸曲面状、前記反射鏡の形状が曲面状、前記反射
鏡の断面の形状が矩形、前記発光素子４の形状が円形で
ある。更に、前記ＬＥＤモジュール１の光軸前方に１枚
以上のレンズを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＬＥＤモジュールに
関し、特に、ＬＥＤモジュールに含まれる反射鏡の形状
および構造に特徴を有し、低発散角化、高光利用効率
化、高輝度化並びに小型化を図る上で好適なＬＥＤモジ
ュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＥＤモジュールは、ＬＥＤ素子として
Ｇａｐ系ＧａＡｓｐ系ＧａＡｌＡｓ系等の発光ダイオー
ドを用いたもので、ＬＥＤモジュールを複数配列したパ
ネルを照明装置として表示装置を構成するものは、液晶
ディスプレイ装置やプラズマディスプレイ装置に比べ
て、光の３原色の実現、光源の長寿命化、低価格等の利
点があるため、特に近年の表示画面の大面積化に伴っ
て、この大画面全体の明度を高くするための光源として
有望視されている。この要望を満たすためには、発光モ
ジュール個々の低発散角化、高い光利用効率化、高輝度
化を満たす必要がある。また一方、画像表示装置は薄型
（小型）化が進んでおり、照明用パネルの薄型化には、
ＬＥＤモジュールの小型化が必須条件である。ＬＥＤモ
ジュールの低発散角、高光利用効率化、高輝度化に関す
る技術としては、従来からＬＥＤモジュールの形状設計
の工夫や、ＬＥＤモジュールの光軸上前方に別途レンズ
を配置する方法が知られている。

【０００３】図５は、従来のＬＥＤモジュールの構造上
の改良策を示すＬＥＤモジュールの断面図である。この
ＬＥＤモジュールは、テーパー状に、先細り形状の円柱
状部１８と、凸曲面状のレンズ部１９からなり、いわゆ
る弾丸状をした透明樹脂中に発光素子を含む反射鏡２０
が収納されたものである。例えば、日亜化学工業社製の
ＬＥＤモジュールでは、円柱状部の直径が５．０ｍｍや
３．０ｍｍのものがある。これらをＬＥＤ照明装置とし
て用いる場合に、充分な輝度を得るための手段として、
照明パネルに配列するＬＥＤモジュールの高密度実装が
考えられるが、この大きさでは、高密度実装したとして
も小型化には限度があった。照明装置の小型化には、Ｌ
ＥＤモジュール自体の性能を劣化することなく可能な限
り小型化した方が有利である。なお、前記反射鏡２０は
ＬＥＤ発光素子からの出射光を集光することを目的とし
たものである。即ち、ＬＥＤ発光素子は小面積ながら面
光源であり、光軸はこの面光源に対し垂直方向となる。
この面光源から出射した光のうち、光軸に沿った光はそ
のまま進むが、光軸から大きく反れた光は円錐状の反射
鏡で光軸向に集光される。ＬＥＤ発光素子から出射さ
れ、円柱状部を通過した光は、ＬＥＤモジュールの凸曲
面状レンズ部で、光軸方向に集光される。このとき、高
い光利用効率化をはかるには、ＬＥＤ発光素子から出射
した光を狭い発散角内に収めることが重要となる。従
来、この光利用効率を高めるためのＬＥＤモジュールの
集光技術に関する技術として、ＬＥＤモジュールの形状
設計手法が提案されている。例えば、特開平１１−４６
０１３号（「ＬＥＤランプ」）公報では、ＬＥＤモジュ
ールのレンズ部形状を、式：Ｘ²／２．４²＋ｙ²／３．
０²＝１にて示される楕円形状とすれば、高い光利用効
率が得られることが示されている。また、ＬＥＤ発光素
子とＬＥＤモジュールの凸曲面状レンズ部の先端との距
離も高光利用効率化の重要な要素となることが示されて
おり、この距離に最適な範囲があることが述べられてい
る。

【０００４】また、特開平１０−３３３５９９号（「プ
ロジェクタ装置」）公報には、プロジェクタ装置の光源
としてＬＥＤモジュールの利用について述べており、そ
の高光利用効率化、光輝度化をはかる技術として、ＬＥ
Ｄモジュールの配列とマイクロレンズの配列を提案して
いる。この公報に示された手段は、原理的には、ＬＥＤ
モジュールから出射した光を光軸前方にあるマイクロレ
ンズを介して平行光に整形することによって、光の発散
を抑、高光利用効率化をはかるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の手段では、いづれも小型化、高光利用効率化、
低価格化等の目的達成には限界があった。即ち、特開平
１１−４６０１３号（「ＬＥＤランプ」）公報では、Ｌ
ＥＤモジュールのレンズ部形状については工夫がなされ
ているが、ＬＥＤモジュールのレンズ部の形状を表すパ
ラメータの数には限りがあり、必ずしも最適な設計が可
能ではなく、更なるパラメータの検討と同時に、他の手
段の併用が望ましい。また、特開平１０−３３３５９９
号（「プロジェクタ装置」）公報には、プロジェクタ装
置の光源としてＬＥＤモジュールの利用について述べら
れているが、マイクロレンズの配列を提案しているのみ
であって、ＬＥＤモジュール自体の出射光の特性向上手
段には言及がない。本発明は、上述したような従来のＬ
ＥＤモジュールおよびこれらを利用した照明装置の諸問
題を解決するためになされたものであって、ＬＥＤモジ
ュールにおいては、出射光の発散角を小さく抑えること
によって、発散角内に多くの光を集め、高い光利用効率
をもたらすと共に、これらを使用するＬＥＤ照明装置の
小型化、低価格化等を可能にした、ＬＥＤモジュールお
よびＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
達成するために、請求項１記載の発明では、光軸方向に
開口を有する曲面反射鏡と、その開口側前方に配置した
ＬＥＤ発光素子とを内包した透明部材からなる胴部と、
この胴部の光軸前方に配置した半球状の凸状レンズとを
備えたＬＥＤモジュールにおいて、前記胴部の光軸垂直
方向の寸法をＬ、反射鏡開口部の径をＤとするとき、Ｄ
≦Ｌ≦２Ｄであることを特徴とする。請求項２記載の発
明では、請求項１記載のＬＥＤモジュールにおいて、前
記反射鏡の開口面と前記ＬＥＤモジュールの先端との光
軸上の長さが、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部におけ
る光軸方向の長さ以上であること特徴とする。請求項３
記載の発明では、請求１、２記載のＬＥＤモジュールに
おいて、前記反射鏡の開口面と前記発光素子の表面とが
光軸垂直面上で一致しないことを特徴とする。請求項４
記載の発明では、請求項１、２、３記載のＬＥＤモジュ
ールにおいて、前記反射鏡の光軸上の長さが前記反射鏡
の光軸垂直方向長の半分以上であることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１、２、３、４記載の
ＬＥＤモジュールにおいて、前記ＬＥＤモジュールの光
軸上後方端部と、前記反射鏡の光軸上後方端部との差が
零以上であることを特徴とする。請求項６機足の発明で
は、請求項１、２、３、４、５記載のＬＥＤモジュール
において、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部の形状が、
凸曲面状であることを特徴とする。請求項７記載の発明
では、請求項１、２、３、４、５、６記載のＬＥＤモジ
ュールにおいて、前記反射鏡の形状が、曲面状であるこ
とを特徴とする。請求項８記載の発明では、請求項１、
２、３、４、５、６、７記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記反射鏡の断面の形状が矩形であることを特徴と
する。請求項９記載の発明では、請求項１、２、３、
４、５、６、７、８記載のＬＥＤモジュールにおいて、
前記発光素子の形状が、円形であることを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項１、２、３、４、
５、６、７、８、９記載のＬＥＤモジュールにおいて、
前記ＬＥＤモジュールの光軸前方に１枚以上のレンズを
有することを特徴とする。

【０００７】

【作用】請求項１記載の発明では、胴部の光軸前方に配
置した半球状の凸状レンズとを備えたＬＥＤモジュール
において、前記胴部の光軸垂直方向の寸法をＬ、反射鏡
開口部の径をＤとするとき、Ｄ≦Ｌ≦２Ｄとしたので、
発散角を小さくしつつ、小型化を図ることができる。請
求項２記載の発明では、請求項１記載のＬＥＤモジュー
ルにおいて、前記反射鏡の開口面と前記ＬＥＤモジュー
ルの先端との光軸上の長さが、前記ＬＥＤモジュールの
レンズ部における光軸方向の長さ以上であるように構成
したので、請求項１記載の作用に加えて、更に、低発散
角をもたらす上で効果がある。請求項３記載の発明で
は、請求１、２記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記
反射鏡の開口面と前記発光素子の表面とが光軸垂直面上
で一致しないように構成し、また、請求項４記載の発明
では、請求項１、２、３記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記反射鏡の光軸上の長さが前記反射鏡の光軸垂直
方向長の半分以上となるように構成したので、小型化を
図っても、発散角の性能劣化を回避することができる。

【０００８】請求項５記載の発明では、請求項１、２、
３、４記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記ＬＥＤモ
ジュールの光軸上後方端部と、前記反射鏡の光軸上後方
端部との差が零以上であるように構成したので、更に一
層の小型化に有用である。請求項６機足の発明では、請
求項１、２、３、４、５記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部の形状が、凸曲面
状であり、また、請求項７記載の発明では、請求項１、
２、３、４、５、６記載のＬＥＤモジュールにおいて、
前記反射鏡の形状が、曲面状であるように構成したの
で、共に、小型化しつつ低発散角を確保する上で有用で
ある。請求項８記載の発明では、請求項１、２、３、
４、５、６、７記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記
反射鏡の断面の形状が矩形であるので、高密度実装を図
る上で有用である。請求項９記載の発明では、請求項
１、２、３、４、５、６、７、８記載のＬＥＤモジュー
ルにおいて、前記発光素子の形状が、円形であるので、
小型化を図りつつ、更に高密度実装を可能とする。請求
項１０記載の発明では、請求項１、２、３、４、５、
６、７、８、９記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記
ＬＥＤモジュールの光軸前方に１枚以上のレンズを有す
るので、更に一層の低発散角をもたらす。

【０００９】

【発明の実施形態】以下、図示した具体的実施態様例に
基づいて、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の
一実施例（請求項１）を示すＬＥＤモジュールの断面構
成図である。同図に示すＬＥＤモジュール１は、円柱状
部２と、凸曲面状レンズ部３とからなり、両者は透明な
樹脂にて一体成形したものであるが、両者の接合部分で
の光の反射や散乱が小さくできれば、個別部品を組み合
わせたものであってもよい。組み合わせ方式によれば、
円柱状部を共通に大量生産し、個々の仕様に合わせて成
形した凸曲面状レンズ部３を適宜組み合わせて目的とす
るＬＥＤモジュールを作る上で都合がよい。ＬＥＤモジ
ュールの円柱状部２と凸曲面状レンズ部３の材質は例え
ば、ポリカーボネート等の透明樹脂を使用し、上記円柱
状部２の中に発光素子４を含む反射鏡５を含んだもので
ある。ここで、ＬＥＤモジュールの円柱状部２の中心軸
を通る線が光軸６であり、発光素子４と凸曲面状レンズ
部３の中心は上記光軸６上に配置されている。なお、円
柱状部２の光軸６と垂直方向の長さ７（＝Ｌ）が円柱状
部の直径となる。

【００１０】図２は上記ＬＥＤモジュール１の反射鏡４
と発光素子４の部分を抜き出して図示した断面図であ
る。この図に示す反射鏡５は、アルミニウム等の金属板
を円錐形に成形し、その開口側内部に、発光素子４を配
置したものであり、光軸６はこの発光素子４の発光面に
対して垂直である。ここでは反射鏡５の形状を円錐状と
したが、これに限るものではなく、例えば四角錐や三角
錐等の多角形状のも、あるいは半円、放物面、さらには
矩形等であってもよい。この例においては、反射鏡５の
光軸上の長さ９を円錐の高さ（円錐高＝Ｍ）と云い、光
軸垂直方向の長さ１０を円錐の開口部直径（＝Ｄ）と云
うことにする。まず、この例において、ＬＥＤモジュー
ルの円柱状部２の直径７をＬ＝２．８ｍｍ、凸曲面状の
レンズ部を半球形としてその半径（＝ｒ）をｒ＝１．４
ｍｍとし、発光素子４の光源の面積を２００μｍ×２０
０μｍと設定して、光線追跡計算を行った結果を示す。
これは、市販されている従来のＬＥＤモジュールに対応
するものである。またこの時の反射鏡５は、光軸方向の
長さ９がＭ＝０．８ｍｍ、光軸垂直方向の長さ１０がＭ
＝１．０ｍｍである。

【００１１】図３は、光線追跡計算の一つの結果を示す
図であり、上述したＬＥＤモジュールを発光させ、ファ
ーフィールドにおいた球形の受光器上の強度と発散角の
関係を表すグラフを図示したものである。即ち、図３に
おいて、横軸は出射光の発散角（度）を表し、縦軸は出
射光の強度を正規化（光強度の最大点、一般に光軸上の
強度を１としてその比を示す）して表している。通常、
最大強度の半分の強度となる角度（一般に半値角と云
う）、即ち、縦軸の値が０．５となる横軸１１の点にお
ける角度が発散角であり、この値で出射光の発散角を代
表し、この値が小さいほうが出射光は低発散角であり、
光の収束度が高くその部分の明るさは高くなる。上述し
た従来の寸法形状を有するＬＥＤモジュールでは、光線
追跡計算の結果、発散角の半値角は１１．４度であり、
これが従来のＬＥＤモジュールの性能であると云い得
る。次に反射鏡の条件は変えずに、ＬＥＤモジュールの
光軸垂直方向の大きさを小さくしたところ、有意な結果
を得た。即ち、ＬＥＤモジュールの円柱部の直径をＬ＝
１．１ｍｍと小さくし、同時にレンズ部の半径をｒ＝
０．５５ｍｍとして光線追跡計算を行ったところ、発散
角の半値角は１１．３度となった。この結果から明らか
なように、ＬＥＤモジュールの直径寸法を半分以下にし
たにもかかわらず、従来の大きな寸法と場合とほとんど
同様の発散角１１．３度となり、ＬＥＤモジュールの小
型化が可能であることが判明した。このＬＥＤモジュー
ルの円柱部の直径が１．１ｍｍという寸法は、市販され
ている従来のものより小さい。しかも、この例における
ＬＥＤモジュールの直径寸法は、現在市販されているＬ
ＥＤモジュールに使用されている反射鏡の直径にほぼ相
当する。従って、光源の特性を劣化することなく、ＬＥ
Ｄモジュールの小型化をはかる際、入手容易な市販品を
反射鏡として採用できるので、コスト上昇を伴うことが
ない。このように本発明によれば、ＬＥＤモジュールの
円柱状部の直径が１ｍｍから２ｍｍ程度のＬＥＤモジュ
ールを実現でき、現在市販されている小型ＬＥＤモジュ
ールよりも遥かに小型のＬＥＤモジュールを提供でき
る。なお、上記実施例においては、発光素子に関しては
特に限定する必要がなく、その材質は有機、無機のいず
れでも構わない。

【００１２】本発明は、ＬＥＤモジュール先端から反射
鏡の前面までの距離範囲を適切に設定することにより、
発光素子からの出射光の低発散角化をはかることもでき
る（請求項２）。即ち、図１において、ＬＥＤモジュー
ル１のレンズ部３の先端と反射鏡５の開口面との距離を
Ｒとすると、この２点間の距離Ｒを小さくする程全体の
サイズを小さくすることができるが、この距離を小さく
し過ぎると、出射光の低発散角化には効果がなく、むし
ろ逆効果となり、最適の値が存在することを見出した。
いま、ＬＥＤモジュールの円柱部とレンズ部の境界面
（一体成形の場合は仮想面）に反射鏡の開口部が位置す
る場合を零と定めて、反射鏡開口部が前記境界面より光
軸前方にある場合、つまりレンズ側に入り込む状態をマ
イナス（−をつけて標記）、逆に反射鏡開口部が境界面
から光軸後方に位置する場合、つまりレンズから遠のく
場合をプラスとして、この２点間の距離を表す。なお、
この検討においては、反射鏡の光軸上の長さを０．８ｍ
ｍ、光軸垂直上の長さは１．０ｍｍとし、ＬＥＤモジュ
ールの円柱部の直径を１．１ｍｍ、レンズ部を半球形状
で半径０．５５ｍｍ（即ち、これがＬＥＤモジュールの
レンズ部の光軸上の長さ）として２点間の距離を種々変
えて光線追跡計算を行った。まず、２点間の距離が−
０．２５ｍｍ、即ち、反射鏡の開口部分がＬＥＤモジュ
ールのレンズ部のなかに入り込んだ状態のとき（このと
き反射鏡開口部とレンズ先端部との距離はＲ＝０．５５
−０．２５＝０．３ｍｍ）、発散角の半値角は２８．３
度となる。また２点間の距離が０．０ｍｍのとき（境界
面に反射鏡開口部が位置し、Ｒ＝ｒ＝０．５５ｍｍ）
は、発散角の半値角は１２．３度となり、２点間の距離
が０．３５ｍｍのとき（反射鏡開口部が境界面から光軸
後方に後退し、Ｒ＝ｒ＋０．３５＝０．９ｍｍ）は発散
角の半値角は７．３度であり、更に、２点間の距離が
０．９５ｍｍのとき（Ｒ＝１．５ｍｍ）は発散角は１
４．８度であった。

【００１３】以上の結果から明らかなように、反射鏡の
前面からＬＥＤモジュール先端までの距離Ｒは、ＬＥＤ
モジュールのレンズ部の光軸上の長さ以上がよく、且
つ、最適な距離が存在することが分かる。従って、本発
明に基づけば、距離と発散角との関係において最適な構
造寸法を設定することができる。更に、本発明では、発
光素子の表面（発光素子の光軸垂直面）と反射鏡の前面
（反射鏡開口面）との距離を適宜設定することによっ
て、出射光の低発散角化をはかることができる（請求項
３）。これは、発光素子の表面と反射鏡の前面との距離
が近すぎると、低発散角化に効果がないと云う現象を発
見し、この事実を積極的に利用して最適設計を可能とし
たものである。いま、ＬＥＤモジュールの円柱部の直径
を１．１ｍｍ、レンズ部を半球形としその半径を０．５
５ｍｍ、反射鏡の光軸上の長さを２．０ｍｍ、光軸垂直
方向の長さを１．０ｍｍとして、発光素子の表面から反
射鏡の前面までの距離を０．０ｍｍ、０．２５ｍｍ、
０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ、１．００ｍｍ、１．２５ｍ
ｍとして光線追跡形を行った。その結果、発散角の半値
角は夫々、３８．１度、２５．９度、１０．３度、８．
３度、８．１度、７．６度であった。この結果から明ら
かなように、反射鏡の前面から発光素子の表面までの距
離は、大きい方が望ましく、反射鏡の光軸上の長さ（こ
の例では２．００ｍｍ）の１／４（即ち、０．５ｍｍ）
以上から、発散角は急激に小さくなり、その改善効果大
きくなる。なお、発光素子の大きさとも関係するが、こ
の距離があまり大き過ぎると、発光素子が、反射鏡の側
壁に接触することになるので、反射鏡の光軸上の長さと
の関係において、限界が存在する。

【００１４】また、本発明においては、前記反射鏡の光
軸垂方向の長さ（Ｄ）と光軸上の長さ（Ｍ）との関係を
一定条件に設定することによって、出射光の低発散角化
をはかることが可能となる（請求項４）。つまり、反射
鏡の光軸方向の長さには最適寸法が存在し、その寸法が
短かすぎると発散角低減には効果がないことを検証し
た。まず、ＬＥＤモジュールの円柱状部の直径を１．１
ｍｍ、レンズ部を半球形としその半径を０．５５ｍｍ、
反射鏡の光軸垂直方向の長さを１．０ｍｍとして、反射
鏡の光軸方向の長さを変えて光線追跡計算を行った。な
お、このときの発光素子の表面の位置は反射鏡の光軸方
向の長さの半分とした。即ち、反射鏡の光軸方向の長さ
（Ｍ）を２．０ｍｍ、１．５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．５
ｍｍ、０．４ｍｍとしたとき、発散角の半値角は夫々、
７．９度、６．５度、９．７度、２６．２度、２８．１
度であった。この実験結果から明らかなように、反射鏡
の光軸方向の長さは垂直方向の長さの半分以上が条件と
して適当であり、好ましくは、反射鏡の光軸垂直方向の
長さと光軸方向の長さの比が１以上でることがよいこと
が判明した。また、この反射鏡の光軸上の長さの変化
は、光軸に対する反射鏡側壁の傾きと考えることもでき
る。本発明では、ＬＥＤモジュールの光軸後方の端部と
反射鏡の光軸上後方の端部との差を小さくすることによ
り、ＬＥＤモジュールの光軸方向の小型化をはかること
ができる（請求項５）。既に説明したいくつかの発明で
は、ＬＥＤモジュールの光軸垂直方向の小型化を試みた
が、光軸方向の寸法に関しても小型化するほうが好まし
い。ＬＥＤモジュールの光軸後方の端部と反射鏡の光軸
後方の端部との差がゼロに近付くほど、ＬＥＤモジュー
ルの光軸方向の長さを小さくできる。従来の市販のＬＥ
Ｄモジュールでは、小型のものでも、この差が１ｍｍ程
度であるが、この部分を削減することにより、更にＬＥ
Ｄモジュールの小型化が可能となる。市販のＬＥＤモジ
ュールで大きいものでもこの差は２．５ｍｍほどであ
り、従来、それ以上小さくしたものはなかった。発光素
子からの出射光の特性は、ＬＥＤモジュールのレンズ部
と反射鏡部で決定されるため、ＬＥＤモジュールの後方
部が短くても、出射光の特性が低減されることはない。

【００１５】本発明の実施に際しては、ＬＥＤモジュー
ルのレンズ部の凸曲面形状としては、任意の凸曲面形状
でもよい（請求項６）。上述した本発明の実施例では、
全て半球状の例を示したが、この例に限らず例えば半楕
円曲面のような凸曲面形状であってもよい。レンズ部を
半楕円体とし、その光軸方向の長さを０．６２ｍｍとし
て、行った光線追跡計算によれば、発散角の半値角は１
１．８度であった。この実験では、レンズ部を半球形と
し、それ以外の条件を同じにして行った光線追跡計算の
結果と差異はなく、レンズ形状を種々変更したものに関
しても、上述した本発明の実施例が適用できることを示
すものである。更に、本発明では、上記反射鏡の形状と
しては、任意の曲面であってもよい。上記の実施例で
は、円錐を例示したが、これに限られるものでなく、放
物線型、楕円型、双曲線型でも可能である。これらの形
状の反射鏡を用いても、上記の円錐の場合と同様に低発
散角化が可能である（請求項７）。本発明では、反射鏡
の形状を断面が矩形になるようにし、例えば四角錐とし
て、ＬＥＤモジュールの小型化をはかることが可能であ
る（請求項８）。例えば、反射鏡を四角錐とすれば、モ
ジュールの胴部の円柱形状を、矩形とすることができ
る。断面形状が正方形であれば、正方形状の発光素子を
隙間なく配列することができるので、高密度実装に好適
である。現在市販されている従来のＬＥＤの発光素子の
形状は正方形であり、これが断面が円形の反射鏡のなか
に収められている。ＬＥＤモジュールの直径を小さくす
る際、反射鏡が円錐であれば、その直径が小型化の限度
となるが、反射鏡を断面形状を矩形にすることによりＬ
ＥＤモジュールの径を更に小さくできる。即ち、発光素
子の大きさが一定であるとしても、通常の断面形状が円
形の反射鏡では、その半径がｒであればＬＥＤモジュー
ルの大きさもこの程度にしか小型化できないのに対し、
断面形状が正方形の反射鏡であれば、その１辺を（√２
／２）×ｒにできるため、ＬＥＤモジュールの小型化が
可能となる。本発明では、発光素子の形状を円形にする
ことによって、断面が円形の反射鏡のなかに隙間なく高
密度に収納することができる（請求項９）。この方法に
よれば、正方形状の発光素子を収納するよりも面積が大
きくなり、高輝度化が可能となる。通常のＬＥＤモジュ
ールに使われる正方形状の発光素子の１辺をａとしたと
き、円形の発行素子では、面積にして２π倍広くなり、
その分高輝度化がはかれる。

【００１６】本発明では、更に、ＬＥＤモジュール単体
による出射光の特性向上の限界を排除するために、集光
用として凸曲面状の別のレンズを用いて、出射光の特性
向上をはかることもできる（請求項１０）。特に、出射
光の低発散角化に効果がある。図４はこの発明を説明す
るための断面構成図である。ＬＥＤモジュール１の光軸
６上前方に、別のレンズ１２を配置する。ＬＥＤモジュ
ール１の円柱状部２の径を１．１ｍｍ、レンズ部３の半
径ｒを０．５５ｍｍとしたとき、光線追跡計算による発
散角は、１１．４度であったのに対し、このＬＥＤモジ
ュール１の光軸前方２ｍｍの位置に、平凸レンズ１２を
配置し、光線追跡計算を行った結果得られた出射光の発
散角は８．９度であった。この結果から、上述したよう
に別のレンズを配置することによって、大幅に集光効果
が向上し、発散角の低減項かが得られることが分かる。
またこのレンズのサイズもＬＥＤモジュールの光軸垂直
方向の大きさと同じでよいため、装置の小型化を妨げな
い。

【００１７】

【発明の効果】本発明は全体として、ＬＥＤモジュール
おいて、反射鏡形状やモジュール寸法、発光素子とレン
ズとの位置関係等を詳細に吟味し、それらの関係を解明
することによって、小型化、出射光の低発散角、高光利
用効率化をもたらす寸法や形状等の構造を提供するもの
であるので、ＬＥＤモジュールの小型化、高効率化を可
能とすると同時に、これらを使用する照明用光源として
用いる装置等において、小型化や低電力化をもたらすも
のである。請求項１の本発明においては、ＬＥＤモジュ
ールの光軸垂直方向の寸法と、反射鏡の光軸垂直方向寸
法との関係を明らかにし、低発散角化を維持しつつ、最
小化寸法化に最適の構造を提供したので、ＬＥＤモジュ
ールの小型化と、それを使用した照明用装置の小型化や
省電力化に有用である。請求項２記載の発明では、請求
項１記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記反射鏡の開
口面と前記ＬＥＤモジュールの先端との光軸上の長さ
が、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部における光軸方向
の長さ以上であるように構成したので、請求項１記載の
作用に加えて、更に、低発散角をもたらす上で効果があ
る。請求項３記載の発明では、請求１、２記載のＬＥＤ
モジュールにおいて、前記反射鏡の開口面と前記発光素
子の表面とが光軸垂直面上で一致しないように構成し、
また、請求項４記載の発明では、請求項１、２、３記載
のＬＥＤモジュールにおいて、前記反射鏡の光軸上の長
さが前記反射鏡の光軸垂直方向長の半分以上となるよう
に構成したので、小型化を図っても、発散角の性能劣化
を回避する効果が得られる。請求項５記載の発明では、
請求項１、２、３、４記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記ＬＥＤモジュールの光軸上後方端部と、前記反
射鏡の光軸上後方端部との差が零以上であるように構成
したので、更に一層の小型化に効果がある。請求項６機
足の発明では、請求項１、２、３、４、５記載のＬＥＤ
モジュールにおいて、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部
の形状が、凸曲面状であり、また、

【００１８】請求項７記載の発明では、請求項１、２、
３、４、５、６記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記
反射鏡の形状が、曲面状であるように構成したので、共
に、小型化しつつ低発散角を確保する上で効果がある。
請求項８記載の発明では、請求項１、２、３、４、５、
６、７記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記反射鏡の
断面の形状が矩形であるので、高密度実装を図る上で効
果がある。請求項９記載の発明では、請求項１、２、
３、４、５、６、７、８記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記発光素子の形状が、円形であるので、小型化を
図りつつ、更に高密度実装を可能とする上で効果があ
る。請求項１０記載の発明では、請求項１、２、３、
４、５、６、７、８、９記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記ＬＥＤモジュールの光軸前方に１枚以上のレン
ズを有するので、更に一層の低発散角をもたらす上で効
果がある。なお、夫々の発明のＬＥＤモジュールを使用
した照明装置においても、ＬＥＤモジュールの小型化に
伴い、照明装置の小型化を図ったＬＥＤ照明装置を提供
できる。しかも、いづれの発明においても、光源自身が
小さくなるので、照明装置として構成する場合、より一
層の高密度実装が可能であるので、全体的に高輝度の照
明装置をもたらす上で効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すＬＥＤモジュールの断
面構成図である。

【図２】本発明の他の実施例を説明するための、反射鏡
と発光素子の関係を示す断面構成図である。

【図３】本発明の効果を説明するための発光強度と発散
角との関係を示す図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す断面構成図である。

【図５】従来のＬＥＤモジュールを示す断面構成図であ
る。

【符号の説明】

１ＬＥＤモジュール、２、１８円柱状部、３、１９
凸曲面状レンズ部、４発光素子、５、２０反射鏡、
６光軸、７円柱状部直径、８欠番、９反射鏡の光
軸長（Ｍ）、１０反射鏡の開口部直径（Ｄ）、１１
発散角の半値角、１２他のレンズ、Ｌ円柱状部直
径、Ｒモジュール先端部と反射鏡開口部との距離、ｒ
レンズ部の半径。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者亀山健司東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者滝口康之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H042 DA02 DA10 DB08 DD05 DD06 DD07 DD09 DE00 DE04 5F041 AA24 AA47 DA12 DA26 DA46 DA55 DA57 EE17 EE23 FF01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸方向に開口を有する曲面反射鏡と、
その開口側前方に配置したＬＥＤ発光素子とを内包した
透明部材からなる胴部と、この胴部の光軸前方に配置し
た半球状の凸状レンズとを備えたＬＥＤモジュールにお
いて、前記胴部の光軸垂直方向の寸法をＬ、反射鏡開口
部の径をＤとするとき、Ｄ≦Ｌ≦２Ｄであることを特徴
とするＬＥＤモジュール。
【請求項２】請求項１記載のＬＥＤモジュールにおい
て、前記反射鏡の開口面と前記ＬＥＤモジュールの先端
との光軸上の長さが、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部
における光軸方向の長さ以上であること特徴とするＬＥ
Ｄモジュール。
【請求項３】請求１、２記載のＬＥＤモジュールにお
いて、前記反射鏡の開口面と前記発光素子の表面とが光
軸垂直面上で一致しないことを特徴とするＬＥＤモジュ
ール。
【請求項４】請求項１、２、３記載のＬＥＤモジュー
ルにおいて、前記反射鏡の光軸上の長さが前記反射鏡の
光軸垂直方向長の半分以上であることを特徴とするＬＥ
Ｄモジュール。
【請求項５】請求項１、２、３、４記載のＬＥＤモジ
ュールにおいて、前記ＬＥＤモジュールの光軸上後方端
部と、前記反射鏡の光軸上後方端部との差が零以上であ
ることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項６】請求項１、２、３、４、５記載のＬＥＤ
モジュールにおいて、前記ＬＥＤモジュールのレンズ部
の形状が、凸曲面状であることを特徴とするＬＥＤモジ
ュール。
【請求項７】請求項１、２、３、４、５、６記載のＬ
ＥＤモジュールにおいて、前記反射鏡の形状が、曲面状
であることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項８】請求項１、２、３、４、５、６、７記載
のＬＥＤモジュールにおいて、前記反射鏡の断面の形状
が矩形であることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項９】請求項１、２、３、４、５、６、７、８
記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記発光素子の形状
が、円形であることを特徴とするＬＥＤモジュール。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９記載のＬＥＤモジュールにおいて、前記ＬＥＤモ
ジュールの光軸前方に１枚以上のレンズを有することを
特徴としたＬＥＤモジュール。