JP2005228623A

JP2005228623A - 発光素子用レンズ

Info

Publication number: JP2005228623A
Application number: JP2004036824A
Authority: JP
Inventors: Toshio Shimada; 俊男嶋田
Original assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Okaya Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】レンズの形状を複雑にすることなく、発光素子からの光をムラなく効率良く前方に照射することができる発光素子用レンズの提供を目的とする。
【解決手段】前方に向って幅径を拡大するレンズの底部に配置される発光素子２からの光をレンズの周壁３で全反射してレンズ前方へ放射する発光素子用レンズ１であって、発光素子が位置するレンズ下部周部には略円柱状の中空部７を設け、発光素子から中空部の側周面７ｂに向かう光が全反射角以下で入射してレンズ内を透過し、この光がレンズの周壁に対して全反射角以上で入射し全反射してレンズ体前方に放射されるとともに、発光素子から中空部の上面７ａに向かう光が全反射角以下で入射しレンズ内を透過して直接レンズ前方に放射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、表示装置等に用いられるＬＥＤ（発光ダイオード）チップ等の発光素子の上部を被覆して配設し発光素子の光を収束する集光レンズに係り、特に小径な発光素子からの光を広い発光面積でかつ効率良く好適に照射することができる発光素子用レンズに関するものである。

元来、ＬＥＤ等の発光素子そのものの発光する領域はピンポイントであり、そのままでは無指向性の照明となり光が拡散してしまい、一定程度の面積の発光面を形成できず、また遠距離からの視認性も劣ることから、通常発光素子前方を覆って光を収束させる集光レンズを配設することが行われている。この集光レンズとしては、底部に発光素子取付部を形成し、発光素子から照射される中央部分の光をレンズ前面の中央に形成された凸部で集光するとともに、その外側の光をンズ底部から前方に向かって放物線曲線を描く壁面で全反射して前方へと放射するものがある。
実公平６−２８７２５号公報

しかしながら、上述した従来の発光素子用レンズにあっては、その構造からしてレンズ前面の中心部に凸部が形成されるように深いリング状の溝を形成するものであり、このような複雑な形状にレンズを形成することは多大な困難が伴い、特に高さのあるレンズ体ではリング状の溝が深くなりすぎてしまい、レンズの大きさや材質によっては必ずしも発光素子からの光をムラなく効率良く前方に照射できるとは限らなかった。

そこで本発明にあっては、上述した課題を解決すべく、レンズの形状を複雑にすることなく、発光素子からの光をムラなく効率良く前方に照射することができる発光素子用レンズの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の発光素子用レンズは、前方に向って幅径を拡大するレンズ体の底部に配置される発光素子からの発光を該レンズ体の周壁で全反射してレンズ体前方へ放射する発光素子用レンズにおいて、発光素子が位置するレンズ体下部の発光素子周部には略円柱状の中空部を設け、上記発光素子から上記中空部の側周面に向かう光が上記レンズ体の屈折率に応じた全反射角以下で入射してレンズ体内を透過しこの光が上記レンズ体の周壁に対して上記全反射角以上で入射し全反射してレンズ体前方に放射されるとともに、上記発光素子から上記中空部の上面に向かう光が上記全反射角以下で入射しレンズ体内を透過して直接レンズ体前方に放射されることを特徴とする。

また、レンズ体前面の中央部にはレンズ前方に向かって突出する凸レンズ部を突設しかつその外周を平面体部とするとともに、発光素子から中空部の上面に向かう光がレンズ体の全反射角以下で入射しレンズ体内を透過する光が上記凸レンズ部で集光されてレンズ体前方へ放射し、そして発光素子から上記中空部の側周面に向かう光がレンズ体の全反射角以上で入射し全反射する光が上記平面体部から前方へ放射されることを特徴とする。

本発明の発光素子用レンズによれば、発光素子が位置するレンズ体下部の発光素子周部には略円柱状の中空部を設け、上記発光素子から上記中空部の側周面に向かう光が上記レンズ体の屈折率に応じた全反射角以下で入射してレンズ体内を透過しこの光が上記レンズ体の周壁に対して上記全反射角以上で入射し全反射してレンズ体前方に放射されるとともに、上記発光素子から上記中空部の上面に向かう光が上記全反射角以下で入射しレンズ体内を透過して直接レンズ体前方に放射されることで、発光素子からの光は、中空部の上面を通る光と側周面を通る光に分かれ、そして側周面を通る光はレンズ体の屈折率に応じて好適にレンズ体の周壁で全反射して好適にレンズ体前方に放射されるものである。

また、レンズ体前面の中央部にはレンズ前方に向かって突出する凸レンズ部を突設しかつその外周を平面体部とするとともに、発光素子から中空部の上面に向かう光がレンズ体の全反射角以下で入射しレンズ体内を透過する光が上記凸レンズ部で集光されてレンズ体前方へ放射し、そして発光素子から上記中空部の側周面に向かう光がレンズ体の全反射角以上で入射し全反射する光が上記平面体部から前方へ放射されることで、中空部の上面を通る光は凸レンズ部で集光され、かつ中空部の側周面を通る光はレンズ体の周壁で全反射し、レンズ体の前方に好適な平行光として照射することができるものである。

図１〜図２は、本発明の第１の実施例の発光素子用レンズ１を示し、最大外径約２１ｍｍ、高さ約１２．５ｍｍのアクリル等の透明な合成樹脂材からなる発光素子用レンズ１は、前方に向って徐々に幅径を拡大する形状である略逆円錐台状に成形されてなり、その底部にＬＥＤ等の発光素子２を配設することで、発光素子２からの光を集光し一定程度の光の束としてレンズ前方に照射するものである。この発光素子用レンズ１の周壁３は、レンズ下端からレンズ前面４にかけて外側に少し膨らんだ独特の曲面に形成されるとともに（その断面は連続する曲面に限られず、複数の傾斜面で形成してもよい）、レンズ前面４の外周部分を平面体部５としかつその中央部には前方が凸となる凸レンズ部６（Ｒ５）を、レンズ前面４より若干低い位置から前方に向かい突設形成している。

そして、発光素子用レンズ１の下部には、発光素子２を配設するのには充分すぎる高さからなる略円柱形状の中空部７を、レンズ下端からレンズ高さの約１／３の深さに凹設して形成している（上述した従来の発光素子用レンズにあっては、このレンズ下端には発光素子が配置されるだけの小径な半球状の中空部があるのみ）。この中空部７の上面７ａは、レンズ前方に向かって凸状の球面（Ｒ４）からなるとともに、中空部７の側周面７ｂは、レンズ下端からレンズ前方に向かって穴径を徐々に狭くする若干のテーパーを設けてなり、これにより中空部７を略円柱形状に形成している。この中空部７の穴径・高さ・テーパーは、そこに配置する発光素子２の寸法や、レンズの材質に応じた屈折率やレンズの外形寸法等に応じて設定される。

このような構成からなる発光素子用レンズ１によれば、図２に示すごとく、まず発光素子２から上記中空部７の上面７ａに向かう光は、上面７ａの凹曲面にほぼ垂直に（レンズの屈折率に応じた全反射角以下である）入射してレンズ内を直進し、レンズ前面４の凸レンズ部６で集光される方向に屈折してレンズ前方に照射される。本実施例にあっては、凸レンズ部６の曲率をアクリルのレンズの屈折率に応じて設定することで凸レンズ部６を通る光を平行光とするものである。そして、発光素子２から上記中空部７の側周面７ｂに向かう光は、側周面７ｂに対しレンズの屈折率に応じた全反射角以下で入射して屈折し、周壁３に対して上記全反射角以上で入射することで全反射し、レンズ前面４の平面体部５を通ってレンズ前方に照射されるものである。

図３は、本発明の第２の実施例の発光素子用レンズ１１を示すものであり、この発光素子用レンズ１１は、前述した第１の実施例と比較してレンズ前面の凸レンズ部をなくして全部平面にしたものであり、それ以外の構成要素は同一である。この発光素子用レンズ１１にあっては、発光素子２から中空部７の上面７ａに向かう放射状の光は、上面７ａの凹曲面にほぼ垂直に入射してそのまま放射状にレンズ内を直進し、レンズ前面１２でレンズ中心軸方向に屈折してレンズ前方に照射されるものである。上述した第１の実施例の発光素子用レンズ１と比較して完全な平行光ではないものの、単純な形状で相応の平行光に近い集光作用を発揮し得るものである。尚、特に図示しないが、中空部７の上面７ａで光を直進させずにレンズ中心軸方向に寄せるべく屈折させた場合には、さらに好適な平行光に近い集光作用を発揮し得るものである。

図４は、本発明の第３の実施例の発光素子用レンズ２１を示すものであり、この発光素子用レンズ２１は、上述した第１の実施例の発光素子用レンズ１について発光素子２の配置を考慮してアレンジしたものであり、発光素子２そのものや素子へのボンディングワイヤーを保護しつつも一定程度の集光作用発揮させるために、発光素子２をシリコン等の透明な合成樹脂材２２により上面を凸状にして被覆したものである。２３は、溶融した合成樹脂材２２を流し込む型となるべく発光素子２の周囲に配設した透明なアクリル樹脂からなるリング体である。従来であれば、発光素子とボンディングワイヤーの周りを、刷毛でシリコンワニスを塗布していたのであるが、それでは発光素子からの放射状の発光が不均一となり、その結果好適な平行光が得られないこととなっていたものである。このようにして、発光素子２を被覆する部分が樹脂で大径となったことから、レンズの中空部２４もこれに併せて穴径を拡大させるものである。ただし、中空部２４全体の穴径を大きくすることはレンズ周壁で全反射する光の光路に大きく影響してしまうことから、これを避けるべく必要最小限の構造変更をすることとし、中空部２４の上部はそのままとし下部のみ穴径を拡大させるべく段部２５を張り出して形成するものである。ただし、この段部２５を単純に水平にすると、発光素子２からの光はこの段部２５で屈折して、第１の実施例と異なる意図しない光路となってしまうことから、発光素子２からの光が段部２５に入射しないように外に向かって上向きのテーパーとするものである。

尚、上述した実施例にあっては中空部の形状を略円状形状として説明したが、これに限定されることはなく、中空部の上面と側周面との境界部分を境にして、発光素子から光を、直接レンズ前面に向かう光と、レンズの周壁で全反射してレンズ前面に向かう光とに分けるという構成にすることで、レンズ前面から放射される光を拡散させることなく好適に集光させることが可能となるものである。

本発明の発光素子用レンズの第１の実施例を示す斜視図である。本発明の発光素子用レンズの第１の実施例を示す縦断面図である。本発明の発光素子用レンズの第２の実施例を示す縦断面図である。本発明の発光素子用レンズの第３の実施例を示す縦断面図である。

符号の説明

１発光素子用レンズ
２発光素子
３周壁
４レンズ前面
５平面体部
６凸レンズ部
７中空部
７ａ上面
７ｂ側周面
１１発光素子用レンズ
１２レンズ前面
２１発光素子用レンズ
２２合成樹脂材
２３リング体

Claims

前方に向って幅径を拡大するレンズ体の底部に配置される発光素子からの発光を該レンズ体の周壁で全反射してレンズ体前方へ放射する発光素子用レンズにおいて、発光素子が位置するレンズ体下部の発光素子周部には略円柱状の中空部を設け、上記発光素子から上記中空部の側周面に向かう光が上記レンズ体の屈折率に応じた全反射角以下で入射してレンズ体内を透過しこの光が上記レンズ体の周壁に対して上記全反射角以上で入射し全反射してレンズ体前方に放射されるとともに、上記発光素子から上記中空部の上面に向かう光が上記全反射角以下で入射しレンズ体内を透過して直接レンズ体前方に放射されることを特徴とする発光素子用レンズ。
レンズ体前面の中央部にはレンズ前方に向かって突出する凸レンズ部を突設しかつその外周を平面体部とするとともに、発光素子から中空部の上面に向かう光がレンズ体の全反射角以下で入射しレンズ体内を透過する光が上記凸レンズ部で集光されてレンズ体前方へ放射し、そして発光素子から上記中空部の側周面に向かう光がレンズ体の全反射角以上で入射し全反射する光が上記平面体部から前方へ放射されることを特徴とする請求項１記載の発光素子用レンズ。