JP2005243608A - Ｌｅｄランプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明領域の周囲との境界である外周に観測される黄色の色ムラのない照明光が得られるＬＥＤランプ装置を提供する。
【解決手段】 発光色が青系ないし紫系の発光素子と、前記発光素子の光を受けて黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体を有するＬＥＤと、前記ＬＥＤの発光光が入射する光入射面と、入射した光を外部に放出する凸レンズ部とを有するレンズと、前記ＬＥＤの光放出側に配置される遮光部材であって、開口部を有し、前記ＬＥＤの光に対して非透過性の材料からなり、前記レンズを通って放射されるＬＥＤの光を前記開口部より外部へ放射すると共に、前記ＬＥＤの光の周縁部分をカットする遮光部材と、を備えることによって、照明領域の周囲に黄色の色ムラが観測されない照明光を得ることができ、照明用途に適したランプ装置とする。
【選択図】 図３

Description

本発明はＬＥＤを用いたランプ装置に関する。詳しくは、車両室内に設置される白色ＬＥＤによるスポットライトの照明装置に関する。

車両室内ではルームランプによる広範囲の照明や、ドア等に設置された光源からのステップ部の照明など様々な照明が行われている。従来、このような照明は主として乗降時の安全性確保のためや、マップの参照、音響機器の操作などを目的としたものであった。近年、これらの光源として電球や蛍光灯に替わってＬＥＤが用いられ始めている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

光源にＬＥＤを用いた従来の照明装置では、照明用途として使えるように白色光を発するＬＥＤが用いられる。ＬＥＤを用いて白色光を得る方法として、赤・青・緑の三原色の発光素子を混色させて得る方法、青色の発光素子と青色光で励起される黄色の蛍光との混色によって得る方法、紫外光の発光素子によって励起される赤・青・緑の三原色の蛍光の混合によって得る方法等がある。

この中でも、光源も蛍光体も一種類で白色光が得られる、青色発光素子の発光色と黄色蛍光体の蛍光色との混色によって白色光を得る方法が良く用いられている。
実開平３−７７３０７号公報 特開２００３−９５０１６号公報

青色発光素子の発光色と黄色蛍光体の蛍光色の混色によって得られた白色光をレンズによって集光してスポット照射すると、青系の光の発光波長と黄系〜黄緑系の光の発光波長が異なることから、屈折によって照射領域が異なり、その結果、特に照明光の周縁領域が黄色に観察されるなどの色ムラが発生し、照明光として見栄えの良い均一な光が得られない。また、青色発光素子に黄色蛍光体を用いるＬＥＤの構造では、発光素子の直上方向と周辺方向とでは放出されるまでの光路の関係から蛍光体で黄色に変換される割合が異なり、照射光にもその色ムラが観測されるという構造上の課題が存在する。

本発明は以上の課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、色ムラの少ない均一な照明色を安価に構成できる照明装置を提供することである。
本発明は以上の目的を達成すべく次の構成からなる。
発光色が青系ないし紫系の発光素子と、前記発光素子の光を受けて黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体を有するＬＥＤと、
前記ＬＥＤの発光光が入射する光入射面と、入射した光を外部に放出する凸レンズ部とを有するレンズと、
前記ＬＥＤの光放出側に配置される遮光部材であって、開口部を有し、前記ＬＥＤの光に対して非透過性の材料からなり、前記レンズを通って放射されるＬＥＤの光を前記開口部より外部へ放射すると共に、前記ＬＥＤの光の周縁部分をカットする遮光部材と、
を備えるＬＥＤランプ装置である。

かかる構成によれば、遮光部材によって照射光の周縁に観測される黄色光をカットすることができるため、色ムラを抑えたより均一な発光色の照明光とすることができる。また、同時に照射光の周縁をカットすることにより、照射光の周縁がクッキリとしたスポット光とすることができる。さらには、発熱量の小さなＬＥＤ光源を採用することにより長時間の連続点灯が可能となり、その使用用途の幅が拡がる。

以下、本発明の各要素について詳細に説明する。
本発明では光源としてＬＥＤを使用する。ＬＥＤは典型的には、封止樹脂にレンズを有する砲弾タイプやＳＭＤタイプ（表面実装型）のようにパッケージングされたＬＥＤ素子の状態で使用される。ＳＭＤタイプのＬＥＤには別途レンズを用いることにより拡散光からスポット光まで照射エリアを制御することができる。

白色発光のＬＥＤとして、発光素子からの光とそれによって励起される蛍光体からの光との混色によって白色光が得られるものを採用する。このような発光素子として、青系の発光素子と、当該発光素子の光を受けて黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体とを用いたＬＥＤを挙げることができる。紫系の発光素子を使用することもできる。この場合には、黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体に加えて、発光素子の光によって青系の蛍光を発する蛍光体を用いることが好ましい。青系成分を補うことで、より好まし白色光が得られるからである。

蛍光体の種類は特に限定されず、有機系、無機系を問わず用いることができる。有機系の蛍光体を用いることによりクリアー感のある照明光が得られる。他方、無機系の蛍光体を用いると艶消し感のある照明光を得ることが可能となる。

本発明では、ＬＥＤの光放射側にレンズが備えられる。本発明の一態様におけるレンズは、ＬＥＤの発光光が入射する光入射面と、入射した光を外部に放出する凸レンズ部を有する。この態様ではレンズの凸レンズ部を通過する際に光が収斂する。これによって、照明範囲を絞ることができる。
本発明の他の一態様におけるレンズでは、ＬＥＤの発光光が入射する光入射面が凹球面状に形成され、他方、入射した光を外部に放出する凸レンズ部が凸非球面状に形成される。即ち、この態様のレンズは、内側（光入射側）に球面レンズ部、外側（光放射側）に非球面レンズ部を有する。かかるレンズでは、ＬＥＤの中心から放出される波長の短い光成分（青色ないし紫色の光）が、レンズへの入射時に球面レンズの作用を受けて外側へと分散されやすくなる。これによって、当該光成分がより外側へと指向することから、レンズ内（即ち内側の球面レンズと外側の非球面レンズ間）で当該光成分と波長の長い光成分（黄色ないし黄緑色の光）との混合が促進される。一方、このように混合された光は、最終的に外側の非球面レンズ部によって集光される。この際、再度、光が混合される。以上の作用の結果、色ムラが非常に少なく、且つ照射領域の絞られた光が得られる。
ここでの「非球面」の例としては、楕円面、放物面、及び楕円放物面を挙げることができる。

ここで、基本的にレンズは、所定の距離にある所定の照明エリア内に十分な光を導き出すために必要なものである。一般に、照明エリアを狭くしたい場合はレンズの曲率を小さくし、広くしたい場合は曲率を大きくする。一方、例えば自動車室内の様な空間でマップランプとして使用する場合、スポット的な光が必要となる。即ち、一定領域を明るく照明し、同時にその領域の周囲に光を漏れさせないことが要求される。例えば、図５に示す構成とした場合において、ＬＥＤランプ装置からの距離が約６００ｍｍ、エリアφ約４００ｍｍの照明エリアをスポット的に照明するときには、外側の非球面レンズ５を曲率がＲ４．５±１の楕円形状とし、他方の内側の球面レンズ６の曲率をＲ５±２とすることが好ましい。また、ＬＥＤ１０の設置位置から外側レンズ５までの距離ａ、ＬＥＤ１０から内側レンズ６までの距離ｂ、内側レンズ６の高さｃ、ＬＥＤ１０の高さｄも光学特性に関係する。上記の照明エリアの条件の場合、ａを５ｍｍ〜１５ｍｍ、好ましくは８ｍｍ〜１２ｍｍ、さらに好ましくは約１０ｍｍとする。ｂは０．６ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．７ｍｍ〜０．９ｍｍ、さらに好ましくは約０．８ｍｍとする。同様にｃは０．３ｍｍ〜０．７ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは約０．５ｍｍとする。同様にｄは１．５ｍｍ〜２．３ｍｍ、好ましくは１．８ｍｍ〜２．０ｍｍ、さらに好ましくは約１．９ｍｍとする。尚、内側レンズと外側レンズとを比較すれば、前者が球面で後者が非球面であるという相違があるが、曲率はほぼ等しくすることが好ましいといえる。また、上記距離ａはこの曲率（両レンズの曲率を同一とした場合の当該曲率）の倍程度であることが好ましいといえる。

本発明の一態様では、ＬＥＤの光放出側に位置する開口部を有する遮光部材が備えられる。かかる遮光部材の開口部によって、ＬＥＤの光の中の一部（周縁部の光）がカットされる。その結果、遮光部材の開口部の形状を反映した光が外部放射することになる。遮光部材は主に照明態様の制御、及び／又は外部衝撃からのＬＥＤの保護と相手側部材との取付を目的として使用される。

遮光部材は、ＬＥＤの光に対して非透過性の材料からなる。例えば、黒色、灰色、その他の濃色の樹脂を材料とした型成形によって遮光部材を作製することができる。

本発明の実施例であるＳＭＤタイプのＬＥＤランプ装置１を図１に示す。ＬＥＤランプ装置１は、ＬＥＤ１０と、そのＬＥＤの光照射軸上にレンズ２０、そしてＬＥＤ１０とレンズ２０をパッケージするハウジング３０を備える。レンズ２０はＬＥＤ１０が発した光を入射する入射面２１と、レンズ２０に入射した光を集束してスポット光が得られるように光放射軸上に凸レンズ部２２を備える。凸レンズ部２２はＬＥＤ１０の放射光が十分入射される径を備えることが望ましい。また、ハウジング３０はＬＥＤ１０が発してレンズ２０を透過した光を外部放射できるように開口部３１を備え、開口部３１から光照射軸方向に向けて円筒状に延びる遮光部材３２を備える。放射光のうち周縁部分が外部放射されないように、遮光部材３２の端部３３は凸レンズ部２２より、ＬＥＤの照射軸方向へ突出していることが望ましい。

図２はＳＭＤタイプのＬＥＤ１０とレンズ２０とを組み合わせたＬＥＤランプ装置１の一部を示す図である。ＬＥＤランプ装置１は、ＬＥＤ１０の光放出側を覆うように配置されるレンズ２０を備える。ＬＥＤ１０は、すり鉢状のリフレクタ１２に取り囲まれるように配置された青系発光素子１１を内蔵する。リフレクタ１２によって囲まれる空間には黄緑系の蛍光体（図示せず）を含有した光透過性の封止部材１３（例えばエポキシ樹脂）が充填されている。ＬＥＤ１０では、発光素子１１の光の一部が蛍光体の励起に利用され、発光素子１１からの光（青色）と、蛍光体からの蛍光（黄緑色）との混色によって白色光が得られる。
レンズ２０はアクリル系樹脂からなる。レンズ２０において、ＬＥＤ１０の光が照射する位置には凸レンズ部２２が形成されている。

以上の構成のＬＥＤランプ装置１では、ＬＥＤ１０から放出された光は凸レンズ部２２を介して外部放射する。凸レンズ部２２を通過する際に受けるレンズ作用によって、照明光（外部放射光）は照明領域の絞られた（収斂した）光となる。

続いて、本発明の照明態様について、図３と図４を用いて説明する。まずＬＥＤ１０に必要な電力が供給されると、ＬＥＤ１０内の青系発光素子１１から青色系の光が放出される。この青色系の光の一部はＬＥＤ１０内の封止部材１３を通過する過程で蛍光体を励起させ、これによって黄緑色系の蛍光が生ずる。その結果、ＬＥＤ１０からは青色系の光と黄緑色系の光との混色による白色光が放出されることとなる。ＬＥＤ１０から放射される白色光は、発光素子１１から封止部材１３を通過して外部へ放出されるまでの光路長が、発光素子１１の直上と周辺領域とで異なるため、封止部材１３に含有される蛍光体によって黄緑系の色に変換される割合が発光素子１１の直上と周辺領域で異なる。つまり、ＬＥＤ１０の直上方向へ放射される光の色は、黄緑色に変換される光の量が少ないため青色を帯びた色温度の高い白色光となり、ＬＥＤ１０の周囲の方向へ放射される光の色は、黄緑色に変換される光の量が多いため黄色を帯びた色温度の低い白色光となる。
ＬＥＤ１０から放出されたこの白色光の多くは、対応するレンズ２０の裏面の入射面２１を介してレンズ２０内に導入される。入射面２１を介して導入される光は導入時にレンズ作用によって集束される。これによって当該導入光が効率的にレンズ２０の上部にある凸レンズ部２２へ誘導される。
以上のようにしてレンズ２０に導入された光は上部の凸レンズ部２２を介して外部に放射されることとなる。この際、レンズ作用によって指向性が高められる。

レンズ２０から外部放射された光のうち、その周縁部の光は図３に示されるように、ハウジング３０を延出して設けた遮光部材３２によってカットされる。これによって放射光の周縁に確認される黄色の色ムラをなくし、均一な色の照明光を得ることができる。また、図４に示されるように、照射領域の境界の見切りがくっきりとする。

このように本ＬＥＤランプ装置１ではレンズ２０を介して外部放射される光が中央領域へと集中し、照明エリアに絞られた光が照射される。また、照射光のうち周縁部の光をカットしたことにより色ムラのない円状の照明光が得られ、照明用光源として好ましい光源ユニットとなる。

本発明の他の実施例を図６及び図７に示す。図６はＬＥＤランプ装置２の平面図である。図７は、図６におけるＡ−Ａ線断面図である。尚、これらの図面において上記実施例と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例のＬＥＤランプ装置２は、図７に示すように、内側（ＬＥＤ１０の光が入射する側）及び外側（光を放射する側）がそれぞれ所定の曲面に成形されたレンズ４０を備える。具体的には、レンズ４０の内側の中央領域は曲率が約Ｒ５．５の凹球面（内側レンズ部４１）である。同様に、レンズ４０の外側はその周縁部を除いて曲率が約Ｒ４．５の凸楕円面（外側レンズ部４２）である。また、図示される各寸法は次の通りである。即ち、ａ＝約１０ｍｍ、ｂ＝約０．５ｍｍ、ｃ＝約０．８ｍｍ、ｄ＝約２．０ｍｍ、ｅ＝約１０ｍｍである。
ＬＥＤ１０のマウント基板１５の下には放熱板４５が備えられる。これによって高い放熱効果が得られる。
レンズ４０を取り囲むように遮光部材５０が備えられる。放射光のうち周縁部分が外部放射されないように、遮光部材５０の端部５０ａは外側レンズ部４２より、ＬＥＤの照射軸方向へ突出していることが望ましい。
ＬＥＤランプ装置２では、以上の各部材がハウジング５１によってパッケージされている。

以上の構成からなるＬＥＤランプ装置２の照明態様は次の通りである。まず、実施例１のＬＥＤランプ装置１と同様に、ＬＥＤ１０に必要な電力が供給されると、ＬＥＤ１０からは、内蔵される青系発光素子１１に起因する青色系の光と、当該光によって蛍光体が励起されることによって生ずる黄緑色系の光との混色による白色光が放出される。但し、この白色光は、ＬＥＤの直上方向に放射される部分（以下、「直上成分」ともいう）と、ＬＥＤの周囲方向に放射される部分（以下、「周囲成分」ともいう）との間で色温度が異なる。即ち、前者は青色を帯びた色温度の高い白色光であり、後者は黄色を帯びた色温度の低い白色光である。これらの光はともに内側レンズ部４１を介してレンズ４０内に取り込まれるが、直上成分については取り込まれる際に内側レンズ部４１のレンズ作用によって周囲方向へと分散されやすい。その結果、レンズ４０内において直上成分と周囲成分との混合が促進される。レンズ４０内に取り込まれた光（直上成分及び周囲成分）は、以上のように混合されつつ進行し、最終的にその多くが外側レンズ４２を介して外部に放射される。その際、非球面レンズのレンズ作用によって集光される。また、このときにも光の混合が生ずる。レンズ４０によって、以上のごとき積極的且つ効率的な光の混合が行われる結果、最終的に得られる光は中央領域と周囲領域との間で色温度の差が大幅に軽減されたものとなる。即ち、全体に亘って色温度の変化が実質的に観察されない（色ムラの極めて少ない）照明光が得られる。尚、レンズ４０の周縁から放射された光が遮光部材５０によってカットされる結果、照射光の周縁がクッキリとしたスポット光が得られる。
以上のように、本ＬＥＤランプ装置２では、色ムラが極めて少なく、照明領域の境界の見切りがくっきりとしたスポット光が得られる。従って、例えば車室内のマップランプとして好適なものとなる。

本発明のＬＥＤランプ装置は車両室内の照明用として好適に利用される。但し、その用途はこれに限られるものではなく、スポット的照明が必要な用途に広く適用可能である。

この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

図１は本発明の一実施例であるＬＥＤランプ装置１の側面図である。 図２はＳＭＤタイプのＬＥＤとレンズの側面図である。 図３はＬＥＤランプ装置１の照明態様を示す図である。 図４はＬＥＤランプ装置１の照明態様を示す図である。 図５は本発明に使用されるレンズの構成を説明する図である。 図６は本発明の他の実施例であるＬＥＤランプ装置２の平面図である。 図７はＬＥＤランプ装置２の断面図（図６のＡ−Ａ線断面）である。

符号の説明

１、２ ＬＥＤランプ装置
１０ ＬＥＤ
１１ 青系発光素子
１２ リフレクタ
１３ 封止部材
１４ 基板
２０、４０ レンズ
２１ 入射面
２２ 凸レンズ部
３０、５１ハウジング
３１ 開口部
３２、５０ 遮光部材
４１ 内側レンズ部（球面レンズ）
４２ 外側レンズ部（非球面レンズ）
４５ 放熱板

Claims (8)

1. 発光色が青系ないし紫系の発光素子と、前記発光素子の光を受けて黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体を有するＬＥＤと、
   前記ＬＥＤの発光光が入射する光入射面と、入射した光を外部に放出する凸レンズ部とを有するレンズと、
   前記ＬＥＤの光放出側に配置される遮光部材であって、開口部を有し、前記ＬＥＤの光に対して非透過性の材料からなり、前記レンズを通って放射されるＬＥＤの光を前記開口部より外部へ放射すると共に、前記ＬＥＤの光の周縁部分をカットする遮光部材と、
   を備えるＬＥＤランプ装置。
2. 前記遮光部材は前記ＬＥＤの周囲を囲い、前記ＬＥＤ放射軸方向へ延びる筒形状よりなる、請求項１に記載のＬＥＤランプ装置。
3. 前記筒形状の遮光部材の端部は、前記レンズの凸レンズ部より前記ＬＥＤの放射軸方向へ突出している、請求項２に記載のＬＥＤランプ装置。
4. 発光色が青系ないし紫系の発光素子と、前記発光素子の光を受けて黄系〜黄緑系の蛍光を発する蛍光体を有するＬＥＤと、
   前記ＬＥＤの発光光が入射する凹球面状レンズ部と、入射した光を外部に放出する凸非球面状レンズ部とを有するレンズと、
   を備えるＬＥＤランプ装置。
5. 前記凸非球面状レンズ部の形状が、楕円面状、放物面状、又は楕円放物面状である、請求項４に記載のＬＥＤランプ装置。
6. 前記ＬＥＤの光放出側に配置される遮光部材であって、開口部を有し、前記ＬＥＤの光に対して非透過性の材料からなり、前記レンズを通って放射されるＬＥＤの光を前記開口部より外部へ放射すると共に、前記ＬＥＤの光の周縁部分をカットする遮光部材、をさらに備える、請求項４又は５に記載のＬＥＤランプ装置。
7. 前記ＬＥＤは前記ＬＥＤの軸方向に青色成分の強い白色光を発光し、前記ＬＥＤの軸方向に垂直な方向に黄色成分の強い白色光を発光する、請求項１〜６のいずれかに記載のＬＥＤランプ装置。
8. 前記ＬＥＤは前記ＬＥＤの軸方向に色温度の高い白色光を発光し、前記ＬＥＤの軸方向に垂直な方向に色温度の低い白色光を発光する、請求項１〜６のいずれかに記載のＬＥＤランプ装置。

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