JP2005327577A - 発光装置並びに該発光装置を用いた街灯、信号灯及び表示灯 - Google Patents

Abstract

【課題】 光を照射面に均一に当てることができ、照射面の照度ムラを解消することのできる発光装置を提供する。
【解決手段】 主として側周部から光を出射し１個当りの消費電力が０．５Ｗ以上である複数個のＬＥＤ120を伝熱基板110の上に配置して、各ＬＥＤ120をそれぞれリフレクタ130によって囲繞することによって発光装置100とした。任意に選択された隣り合う３個のＬＥＤ120の中心を結ぶ線分は、略正三角形を為している。また、各リフレクタ120は、略回転放物面状の主反射面を有するものとなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源として複数個のＬＥＤを用いた発光装置に関する。特に、消費電力が大きなＬＥＤ（いわゆるパワーＬＥＤ）を用いた発光装置に関する。

近年、光源にＬＥＤを用いた種々の発光装置が提案されるようになってきた。例えば、特許文献１には、光源にミニランプ（ＬＥＤを含む。）を使用した灯具が記載されている。この灯具は、ミニランプと、開口部形状が正六角形を為すミニフードが蜂の巣状に連設された多孔格子枠と、ミニ反射鏡と、ミニ口座とからなるランプユニットが配線基板に組み合わされたものとなっている。これにより、前面の投影面積を縮小することができることや、ランプ切れを防止すること等ができるとされている。

また、特許文献２には、凹面反射鏡と、光軸が凹面反射鏡の開口に向けられた直接照明用ＬＥＤと、光軸が凹面反射鏡の反射面に向けられた複数個の反射照明用ＬＥＤとからなる照明灯が記載されている。これにより、照明灯を、照度ムラが少なく、広い領域を照明する場合にもＬＥＤの個数をそれほど多くする必要が無くて消費電力のきわめて少ないものとすることができるとされている。

さらに、特許文献３には、本体を備えたレンズであって、発せられる光の大部分を前記本体の中心軸に対して垂直になるように屈折させる鋸歯状レンズ部と、発せられる光の大部分を前記本体の中心軸に対して垂直になるように反射させるじょうご形状レンズ部とを備えたレンズが記載されており、このレンズを用いたＬＥＤも記載されている。さらにまた、該ＬＥＤと反射器とを組み合わせて使用することについても記載されている。

特開２００３−１５１３１７号公報（特許請求の範囲、発明の効果、図２） 特開平１１−０１７２２８号公報（特許請求の範囲、発明の効果、図１、図２） 特開２００３−００８０６８号公報（特許請求の範囲、［０００７］、図１２）

しかし、特許文献１の灯具は、ミニランプから出射した光の大部分をミニ反射鏡で反射させるための工夫が施されておらず、多孔格子枠から出射される光の進行方向の均一性が低いものである。したがって、この灯具を用いて近距離を照射すると、照射面に光が均一に当たらずに照度ムラが生じるおそれがある。

また、特許文献２の照明灯は、照度ムラの解消については一定の効果を奏するものではあるものの、１個の凹面反射鏡に複数個のＬＥＤを収容するものであるために、構造が複雑になりやすい。また、凹面反射鏡の寸法を大きくする必要があるために、照明灯を小型化しにくいといった問題もあった。

さらにまた、特許文献１〜３のいずれにおいても、ＬＥＤで発生する熱を放熱するための工夫については記載されていない。このため、最近市場に出回るようになってきた消費電力が大きなＬＥＤを、特許文献１〜特許文献３に記載された灯具等の光源として使用すると、発熱による故障等の不具合が生じることも考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、光を照射面に均一に当てることができ、照射面の照度ムラを解消することのできる発光装置を提供するものである。また、構造が簡素で、寸法を小さくすることも容易な発光装置を提供するものである。さらにまた、ＬＥＤで発生する熱を逃すことも容易な発光装置を提供するものである。

上記課題は、主として側周部から光を出射し１個当りの消費電力が０．５Ｗ以上である複数個のＬＥＤが伝熱基板上に配置され、各ＬＥＤがそれぞれリフレクタによって囲繞されてなる発光装置を提供することによって解決される。これにより、従来の発光装置よりも明るく長寿命であり、かつ光の均一性（光束が場所によって大きく変化しない性質）に優れた発光装置を得ることが可能になる。

ここで、「主として側周部から光を出射」とは、ＬＥＤの頂部よりも多くの光が該ＬＥＤの側周部から出射されることをいう。より具体的には、ＬＥＤから出射された光が該ＬＥＤの発光部の中心軸（ＬＥＤの発光部を回転体とみなした場合の中心軸。以下において、ＬＥＤ中心軸と呼ぶことがある。）に対して為す角度をφとすると、０°≦φ≦４５°の範囲に出射される光束の合計（Ｓ_１とする。）よりも、４５°≦φ≦１８０°の範囲に出射される光束の合計（Ｓ_２とする。）の方が多いことをいう。ただし、ＬＥＤ中心軸のＬＥＤ頂部側を０°とし、ＬＥＤ中心軸のＬＥＤ底部側を１８０°とした。角度φは、０°≦φ≦１８０°の範囲で定義される。このような特性を有するＬＥＤは、「サイドエミッタ型ＬＥＤ」とも呼ばれ、その発光部は、通常、ＬＥＤ中心軸に対して回転対称な形状となっている。全光束（Ｓ_１＋Ｓ_２）に対するＳ_１の比（Ｓ_１／（Ｓ_１＋Ｓ_２））は、０．４以下であると好ましく、０．３以下であるとより好ましい。０．２以下であるとさらに好適である。以下において、全光束（Ｓ_１＋Ｓ_２）に対するＳ_１の比（Ｓ_１／（Ｓ_１＋Ｓ_２））を、単に「頂部光束比」と呼ぶことがある。

このとき、任意に選択された隣り合う３個のＬＥＤの中心（発光部の中心）を結ぶ線分が略正三角形を為すことが好ましい。このように、各ＬＥＤを略等間隔で配置することにより、発光装置から照射される光の均一性をさらに高めることが可能になる。また、各ＬＥＤを囲繞するリフレクタを密着させて配置することも可能になり、発光装置の照射光をより明るくすることもできる。

各リフレクタは、通常、略椀状の反射面を有するものとなっている。各リフレクタは、略球面状（球面の一部）の反射面や、略回転楕円面状（楕円の一部を該楕円の長軸回り又は短軸回りに回転してできる曲面）の反射面や、略回転双曲面状（双曲線の一方の一部を該双曲線の中心軸回りに回転してできる曲面）の反射面等であってもよいが、略回転放物面状の主反射面を有して該主反射面の拡径側に開口端を有するものであることが好ましい。このとき、各ＬＥＤの発光部の中心は、前記主反射面の焦点に略一致させ、各ＬＥＤの中心軸は、前記主反射面の中心軸に略一致させる。これにより、リフレクタの拡径側の開口端から出射される光の進行方向をＬＥＤ中心軸に対して略平行に精度よく揃えることが可能になる。

各リフレクタの前記開口端が略円形に形成され、前記主反射面が前記開口端まで全周に亘って延在してなることも好ましい。これにより、リフレクタの拡径側の開口端から出射される照射光をリフレクタの中心軸に対してさらに精度よく平行に揃えることが可能になる。以下において、この発光装置を、リフレクタの拡径側の開口端の形状に因んで「丸型の発光装置」と呼ぶことがある。

また、各リフレクタの前記開口端が略正六角形に形成され、前記主反射面と前記開口端との間に少なくとも６面の副反射面が介在され、各リフレクタが密着配置されてリフレクタ全体がハニカム形状を為すことも好ましい。これにより、リフレクタと該リフレクタに隣接する他のリフレクタとの間に隙間が生じないようにして、発光装置全体から出射される光の均一性をさらに高めることが可能になる。以下において、この発光装置を、リフレクタの拡径側の開口端の形状に因んで「六角型の発光装置」と呼ぶことがある。

伝熱基板は、通常、金属によって形成されるが、０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の金属によって形成されてなることが好ましい。これにより、伝熱基板を熱伝導性や放熱性にさらに優れたものとすることが可能になる。０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の金属としては、アルミニウム（２３６Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）や、銅（４０３Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）や、銀（４２８Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）等が例示される。

このとき、発光装置が金属製の筐体に収容され、該筐体と前記伝熱基板とが熱的に接触されてなることが好ましい。これにより、ＬＥＤで発生した熱が伝熱基板を介して筐体まで伝導することが可能になり、筐体を放熱器として活用することができる。発光装置の筐体は、通常、伝熱基板と同様の熱伝導率を有する金属で作られる。ここで、「筐体と伝熱基板とが熱的に接触」とは、筐体と伝熱基板とが当接して直接的に接触している場合だけでなく、筐体と伝熱基板とが熱伝導性に優れたボルト等の部材（通常、伝熱基板と同様の熱伝導率を有する金属で作られる。）を介して間接的に接触している場合をも含むものとする。

以上のように、本発明の発光装置によって、光を照射面に均一に当てることができ、照射面の照度ムラを解消することのできる発光装置を提供することが可能になる。また、構造が簡素で、寸法を小さくすることも容易な発光装置を提供することも可能になる。さらにまた、ＬＥＤで発生する熱を逃すことも容易な発光装置を提供することも可能になる。このため、従来の発光装置よりも明るく長寿命であり、かつ光の均一性に優れた発光装置を提供することも可能になる。

本発明の発光装置を図面を用いてより具体的に説明する。以下において、本発明の好適な実施態様である、各リフレクタの前記開口端が略円形に形成された発光装置（丸型の発光装置）と、各リフレクタの前記開口端が略正六角形に形成された発光装置（六角型の発光装置）とを順番に説明する。

まず、丸型の発光装置について説明する。図１は、丸型の発光装置を示した斜視図である。図２は、丸型の発光装置の平面図である。図３は、図２におけるＡ_１−Ａ_１断面図である。図４は、図３におけるＡ_２部拡大図である。図５は、図３におけるＡ_３部拡大図である。図６は、７個の丸型の発光装置を敷き詰めた状態を示した平面図である。ただし、図３と図５では簡略化のため、ＬＥＤだけは断面ではなく側面で示している。また、図５では、ボルトとナットと主反射面に形成されたディンプルとを省略して示しており、図６では、主反射面に形成されたディンプルを省略して示している。

図１〜図６に示す丸型の発光装置100は、複数個のＬＥＤ120が伝熱基板110の上に配置され、各ＬＥＤ120がそれぞれリフレクタ130によって囲繞されたものとなっている。ＬＥＤ120とリフレクタ130の個数は、それぞれ２個以上であれば特に限定されないが、通常、３個以上である。ＬＥＤ120とリフレクタ130の個数は、本実施態様においてはそれぞれ７個となっている。各ＬＥＤ120は、図２に示すように、任意に選択された隣り合う３個のＬＥＤ120の中心を結ぶ線分が略正三角形を為すよう配置されている。各リフレクタ130も、任意に選択された隣り合う３個のリフレクタ130の中心を結ぶ線分が略正三角形を為すよう配置されている。リフレクタ130は、隣り合う他のリフレクタ130と一体的に成形されたものであってもよいが、本実施態様においては、別個に成形された各リフレクタ130をリフレクタホルダ140に収めたものとなっている。リフレクタホルダ140は、金属製のボルト150とナット160とによって伝熱基板110に固定されている。

各リフレクタ130は、図５に示すように、回転放物面状の主反射面αを有するものとなっており、ＬＥＤ120の発光部121から出射された光をリフレクタ130の拡径側の開口端131から出射するものとなっている。ＬＥＤ120の発光部121の中心は、主反射面αの焦点Ｆに一致しており、各ＬＥＤ120の中心軸は、主反射面αの中心軸に略一致している。

丸型の発光装置100において、主反射面αは滑らかな曲面で形成してもよいが、発光装置100の用途によっては、図４に示すような複数個のディンプル131を主反射面αに設けることも好ましい。これにより、リフレクタ130の開口端131から出射される光の一部をＬＥＤ中心軸に対して略平行にしながらも、残りの光を適度に拡散（ＬＥＤ中心軸に対して非平行に）させることが可能になる。丸型の発光装置100では、リフレクタ130と該リフレクタ130に隣り合う他のリフレクタ130との間に隙間が必然的に生じるために、発光時の発光装置100を目視した場合に暗部が見えることも考えられるが、このようにディンプルを設けることによって、暗部を少なくあるいは皆無にすることが可能になり、丸型の発光装置100を、街灯や信号灯や表示灯等の遠距離照射灯としてだけでなく、バックライト等の近距離照射灯としても好適に用いることが可能なものとすることができる。

ｘ軸とｙ軸とｚ軸とを座標軸とする三次元直交座標系において、主反射面αの中心軸をｚ軸に一致させ、主反射面αの焦点Ｆを原点Ｏに一致させると（図５参照。）、主反射面αは、下記式（１）で表すことができる。ただし、ａは、主反射面αの焦点Ｆと頂点との距離である。

このとき、焦点Ｆと頂点Ｐとの距離ａは、ＬＥＤ120やリフレクタ130の寸法や形状等によって適宜調整され特に限定されるものではないが、通常、Ｒ／２〜１５Ｒである。ただし、Ｒは、ＬＥＤ120の発光部121の最大半径である。距離ａがＲ／２未満であると、リフレクタ130の寸法がＬＥＤ120の寸法に対して小さくなり過ぎて、ＬＥＤ120をリフレクタ130の内部に収容することが困難になるおそれがあるためである。距離ａは、Ｒ以上であると好ましく、３Ｒ／２以上であるとさらに好ましい。一方、距離ａが１５Ｒを超えると、リフレクタ130の寸法がＬＥＤ120の寸法に対して大きくなり過ぎるおそれがある。距離ａは、１０Ｒ以下であるとより好ましく、５Ｒ以下であるとさらに好ましい。

リフレクタ130は、内表面に高反射率の面を有しているものであればよく、その材質は特に限定されない。金属のようにそれ自体が高反射率のものからなるリフレクタ130を用いることができる。また、ガラス、樹脂、セラミックス、金属などを成形して得られたリフレクタ130の内表面に金属皮膜や誘電体多層膜を形成し高反射率にしたものも用いることができる。

ＬＥＤ120は、主として側周部から光を出射し、１個当りの消費電力が０．５Ｗ以上のものであれば特に限定されないが、本実施態様においては、Lumileds社製のLuxeon-Emitter（型式LXHL-DW01）を使用している。このＬＥＤ120は、頂部光束比が０．１５よりも小さい値のものであり、１個当り消費電力が約１Ｗのものである。各ＬＥＤ120の発光色は、本実施態様においては全て白となっているが、これに限定されるものではなく、発光装置100の用途等によって適宜選択される。また、発光色が赤のＬＥＤと、発光色が緑のＬＥＤと、発光色が青のＬＥＤとを混在させると、発光装置100をフルカラーの表示装置として用いることも可能になる。

伝熱基板110は、熱伝導率やコスト等を考慮してアルミニウム製のものを用いている。伝熱基板110の平面視形状は、本実施態様において、リフレクタホルダ140の平面視形状と合同な正六角形となっている。このため、本実施態様の発光装置100は、図６に示すように敷き詰めることが可能なものとなっており、複数個の発光装置100を組み合わせて使用することができるものとなっている。また、伝熱基板101の表面側（ＬＥＤ120側）には、絶縁層を介してＬＥＤ120に電力を供給する電気回路が形成されている。電気回路は、電気伝導率と熱伝導率とに優れた銅によって形成されていて、その表面が絶縁コーティングで覆われている。伝熱基板101は、発光装置100を収容するアルミニウム製の筐体（図示省略。）と金属製のボルトを介して連結されている。ＬＥＤ120の温度が高くなりすぎると、ＬＥＤ120の寿命は縮んでしまうが、これらの工夫を施すことによって、放熱を効率的に行い、ＬＥＤ120の寿命を延ばすことが可能になる。

次に、六角型の発光装置について説明する。図７は、六角型の発光装置を示した斜視図である。図８は、六角型の発光装置の平面図である。図９は、図８におけるＡ_４−Ａ_４断面図である。図１０は、図９におけるＡ_５部拡大図である。図１１は、７個の丸型の発光装置を敷き詰めた状態を示した斜視図である。ただし、図９と図１０では簡略化のため、ＬＥＤだけは断面ではなく側面で示している。また、図１０と図１１では、主反射面に形成されたディンプルを省略して示している。

図７〜図１１に示す六角型の発光装置101は、各リフレクタ130の拡径側の開口端131が正六角形に形成されたものとなっている。各リフレクタ130は、丸型の発光装置100と同様の回転放物面状の主反射面αを有している。各リフレクタ130の主反射面αと開口端131との間には副反射面β_１〜β_６が形成されている。副反射面β_１〜β_６は、主反射面αの中心軸を回転軸として６０°の回転対称になるように配されている。リフレクタ全体は、各リフレクタ130が密着配置されてハニカム形状を為すものとなっている。このため、六角型の発光装置101では、リフレクタ130と該リフレクタ130に隣り合う他のリフレクタ130との間に隙間がなく、発光時の発光装置101を目視した場合に暗部が見えにくいものとなっている。このため、六角型の発光装置101は、街灯や信号灯や表示灯等の遠距離照射灯は勿論のこと、バックライト等の近距離照射灯として好適に用いることができるものとなっている。六角型の発光装置101では、主反射面αや副反射面β_１〜β_６にディンプルを設ける必要性が、丸型の発光装置100に比して低い。

ｘ軸とｙ軸とｚ軸とを座標軸とする三次元直交座標系において、主反射面αの中心軸をｚ軸に一致させ、主反射面αの焦点Ｆを原点Ｏに一致させると（図１０参照。）、副反射面β_１〜β_６は、下記式（２）〜（７）で表すことができる。ただし、θは、副反射面β_１〜β_６がｘｙ平面に対して為す傾斜角であり、ｔは、副反射面β_１の仮想延長面とｘ軸との交点のｘ座標である。

このとき、副反射面β_１〜β_６がｘｙ平面に対して為す傾斜角θの値は、ＬＥＤ120やリフレクタ130の寸法や形状等によって適宜調整され特に限定されるものではないが、通常、３０〜９０°の範囲で設定される。傾斜角θが３０°未満であると、リフレクタ130の開口端131が広くなり過ぎるだけでなく、ＬＥＤ120から出射された光の大部分が主反射面αでなく副反射面β_１〜β_６によって反射されるようになるおそれもあるためである。傾斜角θは、４０°以上であるとより好ましく、５０°以上であるとさらに好ましい。一方、傾斜角θが９０°を超えると、リフレクタ130の開口端131が狭くなり、主反射面αによって反射されてＬＥＤ中心軸に対して一度平行になった光が、副反射面β_１〜β_６によって再び反射されて非平行になるおそれがある。傾斜角θは、８５°以下であるとより好ましく、８０°以下であるとさらに好ましい。副反射面β_１〜β_６を主反射面αに対して滑らかに接続すればするほど（副反射面β_１〜β_６を主反射面αに倣わせれば倣わせるほど）、リフレクタ130の開口端131から出射される光の多くをＬＥＤ中心軸に対して平行にすることができる。

丸型の発光装置を示した斜視図である。 丸型の発光装置の平面図である。 図２におけるＡ_１−Ａ_１断面図である。 図３におけるＡ_２部拡大図である。 図３におけるＡ_３部拡大図である。 ７個の丸型の発光装置を敷き詰めた状態を示した平面図である。 六角型の発光装置を示した斜視図である。 六角型の発光装置の平面図である。 図８におけるＡ_４−Ａ_４断面図である。 図９におけるＡ_５部拡大図である。 ７個の丸型の発光装置を敷き詰めた状態を示した斜視図である。

符号の説明

１００ 丸型の発光装置
１０１ 六角型の発光装置
１１０ 伝熱基板
１２０ ＬＥＤ
１２１ 発光部
１３０ リフレクタ
１３１ 拡径側の開口端
１３２ ディンプル
１４０ リフレクタホルダ
１５０ ボルト
１６０ ナット
α 主反射面
β_１〜β_６ 副反射面

Claims (11)

1. 主として側周部から光を出射し１個当りの消費電力が０．５Ｗ以上である複数個のＬＥＤが伝熱基板上に配置され、各ＬＥＤがそれぞれリフレクタによって囲繞されてなる発光装置。
2. 任意に選択された隣り合う３個のＬＥＤの中心を結ぶ線分が略正三角形を為す請求項１記載の発光装置。
3. 各リフレクタが略回転放物面状の主反射面を有して該主反射面の拡径側に開口端を有してなり、各ＬＥＤの発光部の中心が前記主反射面の焦点に略一致して各ＬＥＤの中心軸が前記主反射面の中心軸に略一致してなる請求項１又は２記載の発光装置。
4. 各リフレクタの前記開口端が略円形に形成され、前記主反射面が前記開口端まで全周に亘って延在してなる請求項３記載の発光装置。
5. 各リフレクタの前記開口端が略正六角形に形成され、前記主反射面と前記開口端との間に少なくとも６面の副反射面が介在され、各リフレクタが密着配置されてリフレクタ全体がハニカム形状を為す請求項３記載の発光装置。
6. 伝熱基板が、０℃における熱伝導率が２００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の金属によって形成されてなる請求項１〜５いずれか記載の発光装置。
7. 発光装置が金属製の筐体に収容され、該筐体と前記伝熱基板とが熱的に接触されてなる請求項６記載の発光装置。
8. 請求項１〜７いずれか記載の発光装置を用いた街灯。
9. 請求項１〜７いずれか記載の発光装置を用いた信号灯。
10. 請求項１〜７いずれか記載の発光装置を用いた表示灯。
11. 請求項１〜７いずれか記載の発光装置からなるバックライト。