JP2009110783A - 指向性照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
発光ダイオードからの光を、指向性を持った面状、あるいは線状の発光に変えることにより、限られた光束を効率的に利用して所定の領域を照明でき、眩しさや色ムラを低減でき、低消費電力で安価な照明装置を提供する。
【解決手段】
透明部材からなる導光体の一辺もしくは対向する二辺を入射辺としてLED光源が配置される。該導光体の背面には、反射パターン形成領域と反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成され、反射パターン形成領域は複数本あり、背面に対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっている照明装置である。この装置は指向性が高く、光束の小さいＬＥＤでも明るい照射ができ、消費電力が小さい照明装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源として用いる指向性照明装置に関する。

発光ダイオード（LED）を用いた照明装置は、超寿命、水銀フリーによる環境負荷低減、輻射熱が無い、調光が容易で自由度が高い、などの数々の利点を有しており、LEDの高効率化、低価格化に伴い、徐々に用途が拡大しつつある。しかしながら、一つのLEDチップから得られる光束は小さいため、照明装置として利用する場合には数多くのLEDチップを使用する必要がある。このため、たとえば蛍光灯を代替する照明装置を実現しようとすると、同一光束を得るための装置コストが大幅に上昇してしまうという問題がある。

こうしたLEDのデメリットを補う一つの方法として、照射角度を絞って範囲を選択的に照明することでよって、少ない光束で十分な明るさを確保する方法がある。このように照射角度を絞り指向性を付与した照明器具は、広い室内全体を均質に明るく照明する目的には向かないが、デスクライト、作業照明、棚照明、壁面照明、通路照明、足元照明、間接照明など種々の用途において好適に用いることができる。指向性を付与することで、使用するLEDの個数を減らすことができるばかりでなく、消費電力を低く抑えることも可能となる。

LEDを用いた指向性照明装置は、たとえば画像処理用の照明などとしては広く用いられている。最も一般的に普及しているのは、砲弾型と呼ばれる集光レンズと一体パッケージ化したLEDを線状や面状で基板上に多数個並べたものである。しかしながらこのようなものでは、指向性を持った個々のLEDからの光が混ざり合って均質な照度を得るにはLEDを高密度で配列させることが必要であるため、LED個数を少なくすることができない。少ないLED個数で線状の照明装置を実現するために特許文献１では、長手方向に光を広げるシリンドリカルレンズをLEDの前方に配置するが方法が提案されている。確かにこの方法でLED密度を小さくした場合に長手方向の照度均一性を上げることができると考えられるが、この方法では楕円状の照射が連なった不自然な照射パターンとなると考えられる。また、LEDには輝度や色度の個体間のバラツキがあるため、輝度ムラや色ムラが照明物に反映されてしまう問題がある。また、多数のLEDを平面状に並べる方式全般の問題として、照明装置を直接見たときに、発光源が粒状に極めて眩しく見えることや、色ムラや輝度ムラが視認されてしまうことが、汎用的な照明としては問題となる。

一方、板状の導光体（導光板）を用いて端面にLEDを配列させた照明装置は、一部では製品化されている。ここで用いられる導光板は、アクリルなどの光透過性の材質からなる平板の裏面にレーザー加工、V溝加工、印刷、などの方法により光を均一に取り出すためのグラデーション加工を施したものである。このように導光板を使用することにより、発光源が粒状に眩しく見える問題や、LEDの色ムラや輝度ムラが視認されてしまう問題は解消できる。しかしながら、これら一般的な導光板からの出射光は指向性を持たないため、照明器具としての利用は、前記したように装置コスト上昇の問題から極めて限られている。

特開平2006-92900号公報

本発明は、LEDからの光を、指向性を持った面状、あるいは線状の発光に変えることにより、限られた光束を効率的に利用でき、眩しさや色ムラを低減でき、消費電力の小さい照明装置を安価に提供することを目的とする。

本発明は、透明部材からなる導光体と、該導光体外周の一辺もしくは対向する二辺を入射辺として発光ダイオード光源を配置した照明装置であって、該導光体の背面には、2つ以上の反射パターン形成領域と反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっており、出射光に指向性を付与するようにしたことを特徴とする照明装置である。

特に、本発明の出光面におけるカマボコ状レンズ形状の断面形状において、カマボコ形状の半径をR、反射パターンとカマボコ頂部の距離をH、反射パターン形成領域の幅をＷ、反射パターン形成領域のピッチをＰとしたとき、HをRの2〜3倍の範囲とし、ＷはＨの1/10〜1/3の範囲とし、ＰはＲの1.5倍以上とすることにより、出射角度を狭く絞れるので少ない数のLEDを用いても充分な照度を得る事が出来、消費電力の少ない照明装置とすることが出来る。

本発明では光源としてLEDを用い、指向性を高めることによって光束の小さいLEDチップの利用効率を高め、その使用数を少なくしても必要な照度を確保し、眩しさや色ムラを低減し、消費電力が小さく、長い寿命の照明装置を得ることが出来る。

以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の照明装置の特徴的な構成を示した斜視図である。
透明部材からなる導光体1の一辺もしくは対向する二辺を入射辺２としてLED光源３が配置される。該導光体の背面には、3本の反射パターン形成領域14が反射パターン非形成領域15と共に入射辺に直交するストライプ状に形成されており、対向する出光面6は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっている。反射パターン形成領域には反射パターン５が形成されている。

本発明の照明装置における光の挙動について導光体側面の断面を示す図2を用いて説明する。LED3からの光は入射辺2より導光体1の内部に取り込まれ、空気界面での全反射を繰り返しながら導光体内を伝播していく。導光体の背面4に形成された反射パターン5は、光を反射または拡散させる効果を持ち、この反射パターンに当たった光の一部は出光面6より出射される。導光体内の光束密度は入射辺から離れるに従い低くなるが、反射パターンの密度を徐々に高くするようなグラデーションを施すことにより、光源からの距離にかかわらず一定の光束を出射させることが可能となる。

図3は出光面６が平面である一般的な導光体の場合の入射面側から見た（図1におけるY-Z平面の）断面を示すものであるが、反射パターンの形成された領域１４から反射された光は出光面の空気との屈折率差により屈折して広がるため、Ｚ軸方向の指向性はほとんど得られない。これに対して本発明の導光体構造は、反射パターンの法線方向に稜線を持つカマボコ状の断面となっているため図4に示すように空気界面での屈折により集光され指向性が付与されることになる。

Y-Z断面での形状（以下、単に断面形状と呼ぶ）において、カマボコ形状の半径R、反射パターンとカマボコ頂部の距離H、反射パターン形成領域１４の幅Ｗ、反射パターン形成領域のピッチＰ、これらの相対比によって、出射光の角度特性や光の利用効率が変動するので、用途に応じて適切な断面構造を選定することが好ましい。まず、出射角度を狭く絞りたい用途においては、HをRの2倍から3倍の範囲にすることが望ましい。3倍以上になると、図5の光路Aのように隣接するカマボコ状レンズ面へと到達して拡散されて出射する光や、光路Bのように外部に出射されずに界面反射してしまう光が増え効率が悪化するため望ましくなく、2以下の場合には出射角度が広がり（指向性が弱まり）望ましくない。また、ＷはＨの1/10〜1/3の範囲にあることが望ましい。ＷがＨの1/3以上の場合には、図６に示すようにやはり光路Ａや光路Bが増え望ましくない。ＷがＨの1/10以下の場合には反射パターンが光を反射させて出光させる割合が小さくなりすぎるため、効率が悪化する。また、ＰはＲの1.5倍以上であることが望ましい。Ｐが1.5以下である場合には光路Ａが増えるため望ましくない。ＰをＲの1.8倍程度以上にする場合には、出光面の形状は図７に示すように連結部7を設けてよい。特にＰをＲの２倍以上にする場合には連結部を設ける必要がある。この連結部から出射される光はほとんど無いため、光学的には連結部の断面形状は重要でない。平面以外にも、たとえば中間に谷を持つテーパー面としてもよい。

一方で、出射角度を極端に狭くしたくない用途においては、HをRの1倍から2倍程度にすることが望ましい。この範囲では概ねこの比が小さくなるほど出射角度が広がる（指向性が弱まる）傾向となる。この場合、ＷはＲの1/5〜1の範囲にあることが望ましい。ＷがＲの1倍以上の場合には、光路Aや光路Bが増え望ましくない。ＷがＲの1/5以下の場合には反射パターンが光を反射させて出光させる割合が小さくなりすぎるため、効率が悪化する。また、ＰはＲの1倍以上であることが望ましい。Ｐが1倍以下である場合には光路Ａが増えるため望ましくない。

本発明の特徴は反射パターン領域からの反射光を法線方向に集光するために出光面がカマボコ状となっていることであって、バリエーションとして、図8に示すように反射パターン非形成領域に肉抜き部８を形成することも軽量化の上で効果的である。このような変更によっても出射特性は大きくは影響されない。

反射パターン以外の導光体の表面は全て平滑であることが望ましい。平滑性が悪い場合には界面での光散乱が起こるため、制御されていない漏れ光が発生し効率が悪化するばかりでなく、Ｘ軸方向に長い導光体では光源から離れたところまで光が伝達されないため全体を発光させることができなくなる。また、断面形状は基本的にはどの位置でも同一であることが望ましい。光の進行方向に対して断面形状が小さくなるような傾斜面もしくは段差が存在すると、導光する光が空気界面で全反射せず、望ましくない方向への出射光が発生し易くなる。

本発明の照明装置は特定領域を照明することを目的としているが、照明したい領域が長細い場合には、照明装置も長細い形状とする必要がある。この場合、導光体のX軸方向を長手方向とすることによって、少ないLED個数で長細い領域を好適に照明する装置が実現される。
導光体のX軸方向の寸法をFとすると、カマボコ先端での高さHに対して10倍から300倍の範囲が好ましい。10倍以下では入射対向辺より漏れる光が大きいため利用効率が悪化し、一方、３００倍以上では伝達ロスによって利用効率が悪化する。（図１ではFはHの5倍程度になっているが、本来的な特徴が見易くなる比率としたものである。）
一方、導光体のY軸方向の寸法Eは、特に限定されるものではないが、実用性を考えるとHの3倍から30倍程度が好適である。

図1においては光源LED３のパッケージの位置をカマボコ断面の中心位置に配置しているが、必ずしもその必要は無い。例えば多数のチップを横長に実装したパッケージのLED（例：シチズン電子製ＣＬ-102）を用いる場合は、図9の光源３に示すようにカマボコ断面の位置とは無関係に配置することになる。ただし、一般的に大光束を得られるLEDパッケージは発光部の縦横比が同程度で発光面積が広く、一方で導光板の厚さは軽量化、薄型化することが望まれている。このため、ＬＥＤの発光を効率良く導光体内へと入射させるためには、導光体の入射面の断面がLEDの発光面よりも一回り大きいことが望ましいため、カマボコ断面の頂部にLED中心を合わせて配置することが、導光板への入射効率を犠牲にせず薄型化する上で最も有利となる。ここでカマボコ形状とLEDとは必ずしも一対一で対応する必要は無く、1個とびや2個とび、あるいはもっと間隔を空けてLEDを配置することも可能である。特に両サイドにリード電極16が形成されているLEDパッケージの場合、実装スペースが必要なため、図10のように1個とびでの配置の方が薄型コンパクト化の上で合理的になる。

LEDはなるべく導光体の入射面に近づけて配置することが入射効率の上で有利である。さらに、LEDと導光体の連結部分は漏れ光を抑えるために反射性の部材で覆うことが、入射光率を高める上で望ましい。

LEDを配置する入射辺は導光体の一辺であってもよく、対向する二辺であっても良い。一辺にLEDを配置しただけでは光束が足りない場合には、対向する二辺に配置することで2倍に近い光束を得ることが可能となる。二辺に配置する場合には反射パターンの密度はX軸方向中心部で最も密となり両端に向かって徐々に疎となるようにグラデーションが施される。

LEDは用途に合わせて特定発光波長のものを使用することが可能で、多色のLEDを用いることで、発光色を可変とすることもできる。植物の成長時に660nm付近の赤色光が光合成を促し、450nm付近の青色光が葉の形態形成を促すことが知られており、植物栽培用光源として対応する発光波長のLEDを利用することが行われているが、本発明の照明装置は、こうした照明装置にも好適に利用できる。

反射パターンでは全ての光が出光面側に反射されるのではなく、一定量の光は背面裏側にも漏れるため、背面側には反射性の部材を空気層を介して配置することが望ましい。反射部材が導光体背面と密接していれば、反射して導光体側に戻された光もカマボコ形状の出光面より効果的に集光されて出射される。また、側面からも微小な光漏れは起こるため側面も空気層を介して反射部材で覆われていることが好適である。また、LEDを一辺のみに配置する場合には、対向する端面にも反射性の部材を配置、あるいは貼り付けることによって端面から漏れる光を再び導光体内に戻してやることが効率を高める上で望ましい。

導光体が汚れると導光体内を全反射して伝わる光の損失があるため、透光性のカバーで出光面側を覆うことも好適に行える。場合によっては透光性カバーに光を適度に拡散させて和らげるものを用いることもできる。

次に本発明で使用する導光体の製造方法について説明する。
導光体の量産方法としては、第一の方法はインジェクション成形法により成形する方法である。金型上に凹凸形状の反射パターンによりグラデーションを施し、これを成形時に転写することにより一工程で製造することが可能である。
金型上に反射パターンを形成する方法としては、ドット状のパターンを電鋳（エレクトロフォーミング）あるいはエッチングにより加工する方法、刃物を用いて直接切削加工する方法など、液晶バックライト用の導光板に適用されている方法を用いることができるが、指向性を高くする目的においては、刃物により切削加工する方法が特に好適である。刃物（バイト）を用いてＹ軸方向に引ききり加工することで平滑性に優れた凹凸面を金型上に高精度に加工できる。これにより成形によって転写された導光体上の反射パターンも鏡面反射性に優れたものにすることができる。Ｘ-Ｚ面方向での出射角度は、凹凸形状によって変化するため、対応する先端形状の刃物（バイト）を使用することで出射角度をコントロールでき、法線方向にピークを持つ高い指向性を付与することも可能となる。

法線方向にピークを持たせるための反射パターンの凹凸形状としては、LEDを対向する二辺に配置する場合には、図11のように反射面9を両側に持つ形状とし、反射面と法線との成す角度αを３０度付近にすることが好適である。凹凸形状は対称であるため、双方から進行してきた光がともに法線付近にピークを持つ分布で出射される。

一方、LEDを一辺に配置する場合には、同じく図11のような対称形状であっても良いが、図12のように第一反射面10と第二反射面11とを持つ非対称形状とし、第一反射面の法線と成す角度βを70度から80度とし、第二反射面の成す角度αを35度から45度とすることがさらに好適である。

導光体量産の第二の方法は押し出し成形法により成形する方法である。対応する断面形状の金型を準備し押し出し成形したのち所定の長さにカットして使用する。押し出し成形では反射パターンのグラデーション加工が同時にはできないため、反射パターンは外形加工後に別工程として行うことになる。パターンの加工方法としては、一般的に導光体へのパターン加工として使用されている、レーザー加工、V溝切削加工、印刷、などがいずれも適用でき、特に、前記したように法線方向にピークを持つ高い指向性を付与したい場合においては、Ｖ溝切削加工が最も好適に用いられる。
インジェクション成形と比較するとパターン加工のための工程が増えるというデメリットがあるが、インジェクション成形の金型は大型になるほど高価になるのに対して、金型費用を低く抑えることができる。また、長細いものでは成形コストもインジェクション成形と比較して低く抑えられる。特に、同一の断面形状で長さのみ異なる種々の製品を製造する場合に大きなメリットがある。

導光体の材質としては、用いるＬＥＤの発光波長において高い透過率を持つものが望ましく、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン系樹脂、などが好適に用いられる。

次に本発明の照明装置の具体的な利用例を挙げる。
図13ではデスクライトとしての利用例を示した。本発明の照明装置のY-Z面からみた照明装置を簡易的に番号12で示している。この場合、以下のような利点が得られる。
・ 蛍光灯を使用する一般的なデスクライトでの全光束は1000lm以上であるが、本発明の照明装置では照明したいエリアに効率良く配光できるため、LEDの全光束としては1/3から1/2で充足できる。このため、仮に蛍光灯とLEDの発光効率が同程度であったとしても、消費電力は1/2から1/3に抑えることができる。
・ 蛍光灯を利用するデスクライトでは、無指向的な蛍光灯からの直接光が利用者の目に入りやすい。強い直接光が目に入るような使用状況では、瞳孔や視神経感度の調整が繰り返し行われるために目が疲れやすいが、本発明の照明装置では、出射方向が限られるため強い光が直接目に入ることが無く、疲労を軽減できる。
・ 照明の直下部分に偏ることなく、作業面全体を均一に照明することができるようになる。
・ 蛍光灯を利用するデスクライトと比較して、発光ヘッド部分を薄型軽量化できるため、スタイリッシュなデザインを実現できる。

次に図14では、冷蔵陳列棚の照明としての利用例を示した。この場合、以下のような利点が得られる。
・ 蛍光灯を利用する照明では棚板の手前下部に蛍光灯を配置するため陳列の邪魔となる。本発明の照明装置では棚板の裏側に薄型の装置を配置することになるので、陳列効率を上げることができる。
・ 低温環境においても始動直後から安定した点灯が可能となる。
・ 棚の奥の方まで均一に照明することができる。
・ 紫外線や赤外線の照射が無いため食品の鮮度管理が向上する。
・ LEDの発光波長の選択によって精肉や鮮魚等の商品色調を新鮮に見せ、購入意欲を増進させることができる。
・ 蛍光灯を定期的に交換する手間が省かれる。
・ 照明効率の向上によって照明消費電力が抑えられるが、必要に応じて照度を調整できるため、さらなる省電力化が可能となる。
・ 照明装置の発熱源が両端のＬＥＤ基板部分だけであるため、陳列棚の側板から効率良く熱エネルギーを逃がすことで冷却を省電力化できる。

次に図15では通路における足元灯（フットライト）としての利用例を示した。
この場合、以下のような利点が得られる。
・ 配光が適切にコントロールされ、離れたところまで照明できる。
・ 通行方向に細長い導光体を用いることで、容易に広い範囲を照明できる。
・ 限られた光束を効率良く利用できるため省電力化される。
・ 超寿命であるため、メンテナンスに関わる作業が不要となる。

次に図16ではガードレールの標識灯としての利用例を示した。ここでは本発明の照明装置の外形を簡易的に13で示している。図17はガードレールに設置した照明装置を上方から見たときに光を車の運転者方向に向けて出射した例を示す。
この場合、以下のような利点が得られる。
・ 発光面積を広く細長くできるので、視認性の良い標識灯ができる。
・ 天地方向に狭い指向特性であり、水平近い角度から見たとき高い輝度で出光面のほぼ全体が均一に発光するため、視認性が優れる。
・ 上方から見た図17で示すように（図17は左側通行での例）、LEDを片側に配置して反射パターンを鏡面性の凹凸面とし、反射面11の角度αを65度〜75度と大きくすることで、法線方向から傾いた角度にピークを持つ指向性を得ることができる。これにより、遠方のドライバーにはっきりと視認させることができる。
・ 薄型コンパクトであるため、ガードレールの凹み部分に収まり、通行の妨げとならない。
・ 超寿命であるため、メンテナンスに関わる作業が不要となる。

本発明の照明装置は、デスクライト、作業照明、棚照明、壁面照明、通路照明、足元照明、間接照明、植物栽培用照明、看板照明など、所定の領域を選択的に照明する照明装置として、またガードレール、歩道段差、階段ステップなどの標識として発光を直接視認させる照明装置として幅広く利用できる。

本発明の照明装置の構成を示す斜視図 光を出射する原理を説明する導光体側面図 出光面が平面の場合の出射方向を示す導光体断面図 出光面がカマボコ状レンズの連なった場合の出射方向を示す導光体断面図 望ましくない光路を説明する導光体断面図 望ましくない光路を説明する導光体断面図 カマボコ状レンズの間に連結部を設けた導光体断面図 背面に肉抜きを施した導光体断面図 細長いLEDパッケージを配置した照明装置の構成を示す斜視図 カマボコ状レンズに対して1個とびでLEDパッケージを配置した図 反射パターンの凹凸形状と出射方向を示す導光体側面図 反射パターンの凹凸形状と出射方向を示す導光体側面図 デスクライトとしての利用例を説明する図 冷蔵陳列棚の照明としての利用例を説明する図 フットライトとしての利用例を説明する図 ガードレール標識灯としての利用例を説明する図 ガードレール標識灯として利用する場合の指向性を説明する導光体側面図

符号の説明

１ 導光体
２ 入射辺
３ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
４ 背面
５ 反射パターン
６ 出光面
７ 連結部
８ 肉抜き部
９ 反射面
１０ 第一反射面
１１ 第二反射面
１２ 照明装置（Ｙ−Ｚ面外形）
１３ 照明装置（斜視外形）
１４ 反射パターン形成領域
１５ 反射パターン非形成領域
１６ リード電極

Claims (2)

1. 透明部材からなる導光体と、該導光体外周の一辺もしくは対向する二辺を入射辺として発光ダイオード光源を配置した照明装置であって、該導光体の背面には、2つ以上の反射パターン形成領域と反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっており、出射光に指向性を付与するようにしたことを特徴とする指向性照明装置。
2. カマボコ状レンズの断面形状において、カマボコ形状の半径をR、反射パターンとカマボコ頂部の距離をH、反射パターン形成領域の幅をＷ、反射パターン形成領域のピッチをＰとしたとき、出射角度を狭く絞りたい用途において、HをRの2〜3倍の範囲とし、ＷはＨの1/10〜1/3の範囲とし、ＰはＲの1.5倍以上とした請求項１の指向性照明装置。

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