JP2005129354A

JP2005129354A - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP2005129354A
Application number: JP2003363687A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Shimizu; 恵一清水; Kazuo Egawa; 一夫江川; Shinji Nogi; 新治野木
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】単独のＬＥＤ素子を用いて放熱性と配光性を両立させたＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】この実施形態のスポットライトは、可視光線を放射するＬＥＤ光源としてのＬＥＤ素子１０と；ＬＥＤ素子１０から発せられる光を内面で全反射する反射面１５ａとこの反射面１５ａで反射された光及び直接光をほぼ30°の範囲に配光するように出射する曲面で構成された出射面１５ｂとを有する光学系としてのレンズ１５と；外形がほぼ球形をなし、球形の一部に凹部５を有し、この凹部５の底部６にそのほぼ中心位置にＬＥＤ素子１０を配置した基板８を密着固定すると共に、レンズ１５の反射面１５ａと凹部５との間に空間が設けられるようにレンズ１５を凹部５に配置した器具本体４とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばレンズなどの光学系で配光を制御するスポットライト、読書灯などのＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子は、技術の進歩により効率及び一素子から得られる光束の向上が図られ、これを照明の光源としたＬＥＤ照明装置が、白熱灯、蛍光灯などに変わる照明器具として利用されつつある。

ＬＥＤ照明装置を、例えばバス、航空機、列車などの座席の上方に取り付けられる読書灯などに適用する場合、取り付けスペースが狭いことから、小型化とともに放熱性、配光性を十分考慮する必要がある。

放熱対策を施した従来のＬＥＤ照明装置の技術としては、複数の発光ダイオードか一方の面に配列された基板と、その基板を取り付ける底部を有する樹脂ケースとを有し、基板を底部に放熱固定板を介して取り付けたものがある（特許文献１参照）。

また、ＬＥＤ素子の配光性を向上させる従来の技術としては、レンズ面が光学系の軸を中心とする平面からなり、反射面が光学系の軸に対して対称に配置されたそれぞれ凹曲面からなる内側の反射面と外側の反射面を有するＬＥＤモジュールが提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−２９９７００号公報特開２００１−２３７４６３号公報

しかしながら、いずれの技術も、複数のＬＥＤ素子を用いた技術であり、単独のＬＥＤ素子で放熱性と配光性を両立させたものは提案されていなかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、単独のＬＥＤ素子を用いて放熱性と配光性を両立させたＬＥＤ照明装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、可視光を放射するＬＥＤ光源と；ＬＥＤ光源から発せられる光を内面で全反射する反射面と、この反射面で反射された光及び直接光を出射する出射面とを有する光学系と；光学系が配設される凹部を有し、この凹部の底部に前記ＬＥＤ光源を配置すると共に、前記光学系の反射面と前記凹部との間に空間が設けられるように前記光学系を前記凹部に配置してなる器具本体と；を具備したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、可視光を放射するＬＥＤ光源と；ＬＥＤ光源から発せられる光を内面で全反射する反射面と、この反射面で反射された光及び直接光を出射する出射面とを有する光学系と；光学系が配設される凹部を有し、この凹部の底部に前記ＬＥＤ光源を配置すると共に、前記光学系の反射面と前記凹部との間に空間が設けられるように前記光学系を前記凹部に配置してなる器具本体と；器具本体を回動自在に挟持する支持体と；を具備したことを特徴とする。
請求項１または２記載の発明において、器具本体の外形と同じ曲率で出射面を形成すると共に、器具本体の外形の一部を担うように凹部に光学系を取り付けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明では、器具本体に設けた凹部の底部にＬＥＤ光源を配置すると共に、光学系の反射面と凹部との間に空間が設けられるように光学系を凹部に配置したことで、ＬＥＤ光源の放熱を行なうと共に、反射面を全反射面にできる。また、ＬＥＤ光源から発せられる光を内面で全反射する反射面と、この反射面で反射された光及び直接光を例えば30°の範囲に配光するように出射する出射面とを有する光学系を用いたことで、単独のＬＥＤ光源で理想的な集光特性となるスポット光を得ることができる。
請求項２記載の発明では、請求項１の発明の効果に加えて、器具本体を支持体で回動自在に挟持することにより、器具本体から発っせられるスポット光をさまざまな方向へ向けることができ、配光性を向上できる。
請求項３記載の発明では、器具本体の外形と同じ曲率で出射面を形成した光学系を、器具本体の外形の一部を担うように凹部に取り付けたことで、光学系の出射面についても器具本体の外形と同様に扱うことができ、例えば支持体で器具本体を回動自在に挟持すると、出射面についても挟持の対象にでき、回動範囲を広くすることができる。

請求項１記載の発明によれば、光学系の反射面と凹部との間に空間を設けたことで、ＬＥＤ光源の放熱を行なうと共に、反射面を全反射面にでき、単独のＬＥＤ光源で理想的な集光特性となるスポット光を得ることができる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、器具本体から発っせられるスポット光をさまざまな方向へ向けることができ、配光性をさらに向上できる。
請求項３記載の発明によれば、光学系の出射面についても器具本体の外形と同様に扱うことができ、例えば支持体で器具本体を回動自在に挟持すると、出射面についても挟持の対象にでき、回動範囲を広くすることができる。
この結果、単独のＬＥＤ素子を用いて放熱性と配光性を両立させたＬＥＤ照明装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る一つの実施の形態のスポットライトの構成を示す図である。
同図に示すように、このスポットライトは、構造物などの取付面１にビス３により固定された支持体２と、この支持体２に摺動自在に支持されたほぼ球形の器具本体４と、この器具本体に設けられた凹部５と、この凹部５の底部６にビス７で取り付けられた放熱基板としての基板８と、この基板８の表面に実装された可視光線を放射する単独のＬＥＤ光源としてのＬＥＤ素子１０と、基板８の表面に設けられた半田付部１１と、この半田付部１１に半田付けされたリード線１２と、このリード線１２を器具本体４に設けた穴より引き出す引力止めのブッシング１３と、反射面１５ａと出射面１５ｂとＬＥＤ包囲面１５ｃと縁部１５ｄとを有する光学系としてのレンズ１５などから構成されている。

器具本体４は、熱伝導性に優れたアルミニウム製である。この他、熱伝導性の優れたものであれば、例えば樹脂などを用いてもよい。

支持体２は、断面コの字状をなす３つの支持板から構成され、上下に対向する支持板には、それぞれの内側に滑動面２ａが形成されている。滑動面２ａは器具本体４の外形とほぼ一致する曲率で皿状に形成されている。
このように支持体２の上下に対向する支持板の滑動面２ａで器具本体４を挟持する構造とすることで、器具本体４の向きを上下左右斜め方向といったさまざまな方向に変えることができ、器具本体４を回動させることで光の方向を変えることができる。
器具本体４を支持体２に取り付ける際は、上下に対向する支持板を押し広げるようにして開き、器具本体４を滑動面２ａに配置する。したがって滑動面２ａとは言うものの、器具本体４を装着した状態では、支持板で上下から付勢されており、向きを変えるための外力を器具本体４に加えなければ器具本体４が動かないようになっている。なお、ここに示した滑動面２ａは、一例に過ぎず、凹形状であれば、例えば矩形、Ｖ字型などでもよい。

基板８は例えばアルミニウム基板などの金属基板を基材とするものであり、金属基板の表面に絶縁層を介して配線パターンおよび半田付部１１を形成し、配線パターンの上に絶縁膜を被膜したものである。配線パターンは、表面実装によりＬＥＤ素子１０の端子と結線されている。
基板８の隅には固定用の穴が設けられており、基板８は、この穴に挿入されたビス７で器具本体４に密着して固定されており、基板８側の熱が器具本体４に直接伝わる構造とされている。基板８には、電子部品として、ＬＥＤ素子１０以外は設けられていない。
凹部５は、ほぼ円筒状に設けられている。ＬＥＤ素子１０は、溝５のほぼ中心（光軸上）に位置するように基板８に実装されている。ＬＥＤ素子１０は、例えば直流3V駆動するものであり、ＬＥＤ素子１０への電源は、リード線１２を通じて外部から供給される。電源として、例えば直流4.5Vなどが供給される。

レンズ１５は、透明樹脂あるいはガラス製である。レンズ１５は、フランジ状に設けた縁部１５ｄで器具本体４に設けた凹部５の縁に嵌合して固定されている。レンズ１５は、縁部１５ｄ以外の部分（反射面１５ａ、出射面１５ｂ、ＬＥＤ包囲面１５ｃ）で、器具本体４に接触していない。つまり、器具本体４の凹部５とレンズ１５の反射面１５ａとの間には空間が設けられている。この空間は、光軸方向から見た場合、ＬＥＤ素子１０を中心としてドーナツ状に広がり、ＬＥＤ素子１０から発せられた熱を周囲に均等に拡散させることができる。

このレンズ１５は、器具本体４の外形と同じ曲率で出射面１５ｂを形成すると共に、器具本体４の外形の一部を担うように凹部５に取り付けられている。
レンズ１５の反射面１５ａは、ＬＥＤ素子１０からのレンズ内部を透過した光を全反射するような角度（臨界角を超える角度）で面を形成した全反射面であり、反射光を光軸の方向に集光させるような傾斜曲面で形成されている。全反射面の外側に物が当接すると、その部分の全反射を維持できなくなり、反射面で光のロスを生じて器具効率が低下するが、上記のように反射面１５ａは、器具本体４に接触させていないため、器具効率が低下することがなく、また出射面１５ｂに何かが映り込むこともない。出射面１５ｂおよびＬＥＤ包囲面１５ｃは、光を入射・屈折させて透過する面である。出射面１５ｂは器具本体４と同等の曲率を有する面である。ＬＥＤ包囲面１５ｃは、ＬＥＤ素子１０から発せられた光が入射する入射面であり、ＬＥＤ素子１０を囲むように円筒形状とされている。この関係で、入射面は、光軸に近い第１の面２１（図２参照）と、光軸から離れた第２の面２２（図２参照）の２つの面がある。

以下、図２を参照してこのスポットライトの光学特性を説明する。
このスポットライトは、図２に示すように、単独のＬＥＤ素子１０の発光部をレンズ１５で覆うように配置している。

このようにＬＥＤ素子１０とレンズ１５を配置したスポットライトにおいて、ＬＥＤ素子１０から発光された光は、ほとんどがＬＥＤ包囲面１５ｃに入射される。このうち、光軸に近い第１の面２１に入射した光は、境界面で屈折してレンズ１５内を透過して出射面１５ｂで屈折して出射されて経路Ｒ0をたどる。この経路Ｒ0の範囲が30°以下となるようにＬＥＤ素子１０とレンズ１５との距離、レンズ１５の形状および曲率が設定されている。

また、ＬＥＤ素子１０から発光された光のうち、光軸から遠い第２の面２２に入射した光は、境界面で屈折してレンズ１５内を透過して反射面１５ａの点ｐ1で全反射して出射面１５ｂで屈折して出射されて経路Ｒ１をたどる。この経路Ｒ１は、光軸に近づく方向であり、照射範囲が例えば30°以下となるように反射面１５ａを設けている。

さらに、ＬＥＤ素子１０から発光された光のうち、第１の面２１と第２の面２２の境界に入射した光は、境界面で屈折してレンズ１５内を透過して反射面１５ａの点ｐ2で全反射して出射面１５ｂで屈折して出射されて経路Ｒ2をたどる。この経路Ｒ2も、上記同様に光軸に近づく方向となるため、照射範囲としては30°以下となるように反射面１５ａを設けている。

すなわち、このスポットライトでは、単独のＬＥＤ素子１０を包囲するＬＥＤ包囲面１５ｃに入射する光のうち、光軸に近い中心部の光と、光軸から離れた側縁部の光は、共に照射範囲としては30°以内、つまり光軸を中心に15°以内に集光されるスポット光となる。

このようにこの実施例のスポットライトによれば、ＬＥＤ素子１０を実装した基板８を放熱機能を備える器具本体４に設けた凹部５の底面６に密着させて取り付けると共に、ＬＥＤ素子１０の光をレンズ内に入射するＬＥＤ包囲面１５ｃ、光を全反射する反射面１５ａ、器具本体４とほぼ同じ曲率の出射面１５ｂとを有するレンズ１５で単独のＬＥＤ素子１０を囲うように配置する一方、反射面１５ａと凹部５との間に空間を設けたことで、単独のＬＥＤ素子１０を用いて放熱性と配光性を両立させたスポットライトを提供することができる。

また、レンズ１５の反射面１５ａを全反射面としたことで、全反射を生じさせるための必要な間隙を確保して高い反射率が得られると共に、ＬＥＤ素子１０を基板８を器具本体４の凹部５に取り付ける空間を確保でき、ＬＥＤ素子１０への配線も容易に行なうことができる。

さらに、レンズ１５の反射面１５ａを全反射面とし、かつ出射面１５ｂを器具本体４の外形と同じ曲率にしたことで、光軸に対してほぼ30°の範囲内に光を出射するように配光することで、さらに光軸近傍と周辺の光を余すことなく利用することができ、器具効率を向上することができる。また、アルミニウム製の器具本体４と空間の確保によりＬＥＤ素子１０の放熱性が向上するので、ＬＥＤ素子１０の温度上昇を抑えることができ、信頼性を高めることができる。
さらに、ほぼ球形の器具本体４の外形と同じ曲率で出射面１５ｂを形成すると共に、器具本体４の外形の一部を担うように凹部５にレンズ１５を取り付け、その器具本体４を支持体２に回動自在に挟持したことで、光の方向を容易かつ自在に調整できるので、スポットライトとしての利便性を向上することができる。また、器具本体４のみでなくレンズ１５の表面までをほぼ球面としたので、レンズ１５の表面までを支持体２の滑動面２ａで回動させることができるので、光の方向の可変範囲を更に拡大することが可能であると共に、シンプルな球形形状で美的感覚に訴求できる。また、器具本体４の後部などを容易に清掃できる。

なお、本発明は上記実施形態のみに限定されるものではない。
上記実施形態では、レンズ１５の反射面１５ａを空気との臨界角で全反射面としたが、反射面１５ａの外周をアルミニウム蒸着などを行なうことで反射面を形成してもよい。この場合、レンズ１５の加工工程は増えるもののレンズ１５の外面を支持できるなどの設計の自由度を増すことができる。
また、レンズ１５の反射面１５ａを全反射としない場合には、全反射条件に捕らわれずに反射面１５ａの設計が可能であり、器具形状や配光設計に自由度が増加すると共に、ＬＥＤ素子１０を器具本体４に取り付ける空間を確保でき、ＬＥＤ素子１０への配線も容易に行なうことができる。

スポットライトの構成を示す図である。スポットライトのレンズの光学特性図である。

符号の説明

１…取付面、２…支持体、２ａ…滑動面、３，７…ビス、４…器具本体、５…凹部、６…底面、８…基板、１０…ＬＥＤ素子、１１…半田付部、１２…リード線、１３…ブッシング、１５…レンズ、１５ａ…反射面、１５ｂ…出射面、１５ｃ…ＬＥＤ包囲面、１５ｄ…縁部。

Claims

可視光を放射するＬＥＤ光源と；
ＬＥＤ光源から発せられる光を内面で全反射する反射面と、この反射面で反射された光及び直接光を出射する出射面とを有する光学系と；
光学系が配設される凹部を有し、この凹部の底部に前記ＬＥＤ光源を配置すると共に、前記光学系の反射面と前記凹部との間に空間が設けられるように前記光学系を前記凹部に配置してなる器具本体と；
を具備したことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
可視光を放射するＬＥＤ光源と；
ＬＥＤ光源から発せられる光を内面で全反射する反射面と、この反射面で反射された光及び直接光を出射する出射面とを有する光学系と；
光学系が配設される凹部を有し、この凹部の底部に前記ＬＥＤ光源を配置すると共に、前記光学系の反射面と前記凹部との間に空間が設けられるように前記光学系を前記凹部に配置してなる器具本体と；
器具本体を回動自在に挟持する支持体と；
を具備したことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
請求項１または２いずれか記載のＬＥＤ照明装置において、
前記器具本体の外形と同じ曲率で前記出射面を形成すると共に、前記器具本体の外形の一部を担うように前記凹部に前記光学系を取り付けたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。