JP2009266678A - Ｌｅｄ光源を備えた発光装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向に均一な光を生成するための、ＬＥＤ光源を備えた発光装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る発光装置１０は、線状に延在する発光部２０を備えた中空部材１２と、中空部材１２の少なくとも一方の端部近傍に配設された少なくとも１つのＬＥＤ光源１４と、ＬＥＤ光源１４に近接して配設され、ＬＥＤ光源１４から出射された光を中空部材１２内の空間に導入する光学素子１６を具備しており、中空部材１２には、発光部２０を除くその外面または内面に、第１の反射面１８が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、線状の発光部から均一な輝度の光を発生するための、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする発光装置およびその発光装置を組み入れた照明装置に関する。

線状の発光部を有する従来の発光装置の代表的な例として蛍光ランプがある。蛍光ランプは、長尺管内に封入された放電媒体ガスが、管両端に設けられた電極間に電位差を与えることによりプラズマ状態となり、可視光を放出して封入ガス自体が発光したり、紫外線を放出して管内面に塗布された蛍光体を介して発光する。このときプラズマは管の長手方向に略均一に発生するので、均一な輝度の線状発光が得られる。

一方、固体発光素子としてＬＥＤが近年より一層の注目を集めており、従来の表示灯用の点光源としての利用のみならず、線状照明をＬＥＤ光源で実現しようとする動きがある。

現在採用されている最も一般的なものは、複数のＬＥＤ１０４を基板１０２上に直線状に等間隔に並置したＬＥＤアレイランプ１００である（図１５）。しかし、ＬＥＤ１０４そのものは輝度が高い点光源であるため、各輝点がグレアとなったり、ＬＥＤ１０４と照射面の相対位置によって照度ムラが発生するなどの問題があり、各ＬＥＤ１０４の配置および駆動電流の調整が困難である。これに対し、グレアの発生防止および照度の均一化を図るために、光散乱用の部材（図示せず）を取り付けたり、光源と発光面との間の距離を拡げるなどの方法が考えられるが、いずれも追加の作業工程が必要であり、装置も大型化するという問題がある。

また、図１６に示すように、棒状導光体１１２の端部にＬＥＤ光源１１４を配置し、導光体に光取出し用のパターン１１６を形成するなどして線状発光させるＬＥＤランプ１１０が知られており、主に読取り用の光源等に利用されている。この形態は、装置の小型化が可能であるが、光が拡散して所望の発光面以外から光がもれてしまう恐れがあり、また、光源１１４、導光体１１２およびパターン１１６の配置如何で光利用効率や照度の均一さが大きく変わってしまうという問題がある。さらに、この形態は、装置の高出力化および長尺化に伴って重量が著しく大きくなるという欠点がある。
このようなＬＥＤ光源を利用した線状照明を開示する文献としては、特許文献１〜３などが挙げられる。
特開平９−２４７３６８号公報 特開２００２−１４０９０１号公報 特開２００７−２５０５１３号公報

したがって本発明の目的は、上述した従来技術における諸般の問題に鑑み、簡単な構成で均一な線状の発光効果を奏することができる新規な発光装置を提供することである。

本発明は、線状の発光面を有する発光装置であって、一対の端部を有し、略全長にわたって線状に延在する発光部を備えた中空部材と、前記中空部材の少なくとも一方の端部近傍に配設された少なくとも１つのＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源に近接して配設され、ＬＥＤ光源から出射された光を前記中空部材内の空間に導入する光学素子と、を具備し、前記中空部材は、前記発光部を除くその外面または内面に、第１の反射面を有することを特徴とする。

本発明によれば、小型かつ軽量で、簡単な構成の発光装置でありながら、線状の発光部全体にわたって均一な輝度の発光を得るといった従来の発光装置では実現し得なかった優れた効果を奏することができる。

以下、図１および図２を参照して本発明の一実施形態を説明する。
本発明の一形態における発光装置１０は、棒状の長尺体として構成され、長尺の中空部材１２の端部１２ａ近傍に配設されたＬＥＤ１４を光源として具備する。また、ＬＥＤ１４から出た光に直進性を与え、中空部材１２内部への光の導入を補助するために、ＬＥＤ１４に近接して光学素子１６が設けられている。ＬＥＤ１４および光学素子１６を配置する方法はとくに限定されないが、一例として、ＬＥＤ１４は、ケーシング１５内の基板上（図示せず）に固定されて光学素子１６とともに封入される。ケーシング１５は、中空部材１２の内部と直接連通していてもよいし、中空部材１２の端部１２ａに設けられた光透過性の壁面を介して連結されていてもよい。

光学素子１６としては、一般的な集光レンズを用いることができる。集光レンズをＬＥＤ１４と併せて用いることによって、ＬＥＤ１４自体の指向性が中空部材１２の長さに対して顕著に悪い場合であっても、光に十分な指向性を与えて中空部材１２内に供給することができるため、中空部材１２の長手方向に沿って均一な光を生成でき、結果として光の利用効率を高めることができる。

光学素子１６は、たとえば、図３に示すような屈折と全反射を利用するコリメータレンズ２２として構成してもよい。図３（ａ）は、コリメータレンズ２２およびこれに対応するＬＥＤ１４の構成例を示す左側面図、図３（ｂ）は、その正面図、図３（ｃ）は、右側面図である。図中の矢印は、基板１４ｂ上に実装されたＬＥＤ素子１４ａからの光の経路を概略的に表現したものである。図示したように、ＬＥＤ１４側のレンズを筒状に形成することにより、ＬＥＤ素子１４ａの光軸以外の側方に漏れ出る光も平行光として利用することができるので、光の利用効率をより高めることができる。コリメータレンズ２２の具体的な形状は、使用するＬＥＤ素子１４ａの特性に応じて実験やシミュレーション等を適宜行うことにより最適に設計するのが望ましい。また、光学素子１６は、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＣ（ポリカーボネート）などの樹脂材料またはガラスを用いて射出成形および押出成形などの周知の方法で構成することができる。

中空部材１２は、高い光透過性を有する透明ないし乳白色の部材で構成され、ＰＭＭＡ、ＰＣなどの樹脂材料またはガラスを用いて、たとえば押出成形、射出成形およびプレス成形などの周知の方法で作製されたものを利用できる。なお、中空部材１２は、断面円形の筒状部材として図示してあるが、断面が楕円形のもの、実質的に断面が四角形の扁平なもの、および断面が実質的に六角形その他の多角形となるように形成されたものも使用することができる。

図２に示すように、中空部材１２の内面には、部分的に反射面（第１の反射面）１８が形成されている。
第１の反射面１８は、高い光拡散反射性を有する白色反射面とするのが好ましく、白色ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムや白色インクを中空部材１２に積層させて形成することができる。中空部材１２が比較的長い場合には、より反射率の高い鏡面反射面と光拡散材を組み合わせたものを用いてもよい。この反射面１８により入射光を拡散反射させることで、中空部材１２全体にわたって均一なムラのない光を線状発光部２０から出射することができる。

このように、中空部材１２は光透過性の材料でできており、その内壁は部分的に反射面１８で覆われているので、反射面１８が形成されていない部位が、光の放射面として機能する線状の発光部２０となる。
すなわち、中空部材１２内に入射された光は、線状発光部２０を通じて直接外部に放射されるか、または反射面１８によって反射されてから線状発光部２０を通じて外部に放射される。

なお、反射面１８は、中空部材１２の内面ではなく、図４に示した本発明の別形態のように、中空部材１２の外面に形成することもできる。中空部材１２と反射面１８をこのように構成した場合も、基本的な作動原理は内側に反射面１８を有する形態のものと同じであり、端部１２ａから中空部材１２に入射した光が反射面１８で拡散反射されることにより、発光部２０を通じて全体的に均一な光を照射することができる。

また、本発明の別の形態として、図５に示したように、中空部材１２を筒状に形成する代わりに、中空部材１２の一部に開口を設けて、この開口を線状発光部２０として利用してもよい。すなわちこの形態では、開口を有する中空部材１２の内壁面の略全体に反射面１８が形成されており、実質的に発光部２０（開口）のみを通って光が外部に放出される。本形態では、中空部材１２は、光透過性の材料で構成される必要はなく、種々の金属および樹脂材料を用いて構成することができる。反射面１８は、以上に説明した形態と同様に、白色ＰＥＴフィルムや白色インクを中空部材１２に接着させるなどして形成することができる。

以上に説明したように、本発明においては、反射面１８で被覆されていない中空部材１２の部位が発光面（発光部２０）として機能するが、中空部材１２および反射面１８の構成パターンとしては、図２、図４および図５に開示された形態に限定されず、必要な照明効果等の要件にしたがって、種々の形状のものを利用することができる。たとえば天井に据え付けて使用する屋内照明灯用の光源として本発明の発光装置１０を用いる場合、図示した形態よりも発光部２０の幅が大きいものを採用してもよいし、スキャナなどの光学的読取装置の光源として用いる場合、読取速度および感度を向上させるために、発光部２０の幅を図示した形態よりも小さくしてもよい。

また、発光部２０を長手方向に一様に形成せずに、たとえば発光部２０の面積が装置の長手方向に沿って異なるように反射面１８を形成すると、特殊な形状の照射面をもった個性的な演出照明を作り出すこともできる。また、２つ以上の反射面を形成し、これを組み合わせて用いることによって、より複雑な照射面を形成することもできる。さらに、中空部材１２の発光部２０表面での全反射を防止する目的で、発光部２０の表面に、たとえば凹凸などの所定のパターンを形成してもよい。

また、必ずしも必要ではないが、ＬＥＤ１４が設けられた端部１２ａに対向する反対側の端部１２ｂには、第２の反射面２４（端部反射面）が形成される。第２の反射面２４は、ＬＥＤ光源１４が配置された端部１２ａの反対側の端部１２ｂに達した入射光を拡散反射することによって、中空部材１２からの光漏れを防止して光の利用効率を高めるとともに、端部１２ｂ近傍の照度を増大させることができるので、長手方向にわたって均一な発光がより容易に実現できる。第２の反射面２４は、白色反射面として形成するのが好ましいが、中空部材１２を長尺化する場合には、これを鏡面反射面としてもよいし、たとえば鏡面反射面を光拡散材で部分的にコーティングしたものなど、鏡面反射面と白色反射面を組み合わせたものを用いてもよい。

中空部材１２の端部１２ｂ側の形状は、必ずしも端部１２ａ側の形状と対称にする必要はなく、たとえば端部１２ｂに向かって中空部分の断面が小さくなるように中空部材１２の外径を変化させてもよいし、中空部材１２の肉厚を変えて、内径が異なるようにしてもよい。
また、反射面１８を中空部材１２の内側に備える形態において、中空部材１２の断面を略一様にし、内側の反射面１８の断面のみを端部１２ｂに向かって小さくなるようにしてもよい。さらに、端部１２ｂ近傍に比較的高い反射率を与えるために、端部１２ｂ近傍の反射面１８を端部１２ａ近傍のそれと異なる材料で形成してもよい。

本発明に係る別の形態の発光装置３０を図６に示す。
この形態では、ＬＥＤ１４および光学素子１６が中空部材１２の内部に備え付けられている。かかる構成とすることによって、図１に示した発光装置１０においては散逸してしまうＬＥＤ１４および光学素子１６からの迷光も発光部２０からの発光に利用することができ、全体として効率が向上する。また、非発光部位を小さくすることができるので、装置を小型化することができるようになる。さらに、単に内部に設置固定するだけで、追加の取付け具（たとえば図１の例でのケーシング１５）を必要としないので、ＬＥＤ１４および光学素子１６と中空部材１２とを取り付ける作業がより容易になるという利点もある。
なお、ここで図示した例では、中空部材１２の内面に反射面１８を配した形態のものが用いられているが、図４で示したように、中空部材１２の外面に反射面１８を配した形態のものも同様に用いることができる。

本発明に係るまた別の形態の発光装置４０を図７に示す。
この形態では、ＬＥＤ１４および光学素子１６が、中空部材１２の両端１２ａ，１２ｂにそれぞれ設けられており、より大きな光量が求められる場合や、比較的長い中空部材１２を用いるときにとくに有用である。また、左右対称の一対の光源１４から出た光が中空部材１２内を通るので、輝度が高く、かつ発光装置４０の全長にわたって均一な発光パターンが得られる。

図８〜図１２を参照して、本発明の別の実施形態を説明する。なお、上述した形態の発光装置１０，３０，４０と共通する作用をもつ構成要素については、適宜詳細な説明を省略し、同一または対応する符号を付すこととする。

図８にこの実施の形態に係る発光装置５０の基本構成を示す。ＬＥＤ１４、光学素子１６および反射面１８，２４を備えた中空部材１２から構成されることは、上記説明した形態のものと同様のものであるが、本形態においては、点光源であるＬＥＤ１４およびＬＥＤ１４からの光を集光する光学素子１６がそれぞれ複数個設けられている。この形態の発光装置５０では、複数の光源からの光を混ぜ合わせたり、または照射領域を分割し、各領域毎に光源を割り当てるように構成することによって、ムラのない大きな光量の発光が得られるといった利点がある。

図９は、各ＬＥＤ１４および光学素子１６の配置の一例を示す発光装置５０の側面図である。図９では、記載を簡略化するために中空部材１２を省略してある。ＬＥＤ１４と光学素子１６を組み合わせてなる発光ユニットの数は、図示した例では４個であるが、必要な光量、中空部材の寸法および形状その他の設計条件に応じて適宜変更することができる。各ＬＥＤ１４の配置および光学素子１６の光学的特性も、均一な発光を得るために必要に応じて適宜調整することができる。また、中空部材１２は円筒状のものだけでなく、扁平なタイプのものを用いてもよい。とくに、使用するＬＥＤ１４および光学素子１６の数および配置に応じて中空部材１２を多角形、楕円体など種々の断面のものから最適な形状を選択するのが好ましい。

各ＬＥＤ光源１４に対して設けられる光学素子１６は、同一の光学的特性を有するものを用いることもできるが、ＬＥＤ１４の配置に応じて光学的特性が異なる光学素子１６を組み込んでもよい。これは、光源と発光面の位置関係、つまりＬＥＤ１４と中空部材１２の線状発光部２０との位置関係によって、各ＬＥＤ光源１４からの出射光の特性が異なることがあり、これを較正することが望ましい場合があるからである。あらかじめＬＥＤ光源１４の配置を考慮して実験またはシミュレーション等により光学素子１６の光学的特性を最適に設計することにより、各光源からの光を一様にし、全体としてムラのない一様な光をより確実に生成することができる。

また、本発明の一形態として、出射光の分光スペクトルが異なるように複数のＬＥＤ１４を選定して用いてもよい。スペクトルが異なる光を混合することによって、色や明度について個体差の小さい演色性の一様な出力光が得られる。

図１０を参照して、本発明の別の形態を説明する。本形態は、各ＬＥＤ光源１４が、実質的に異なる照射領域を有することを特徴とする。すなわち、本形態は、光学素子１６の光学的特性またはＬＥＤ光源１４の光軸の配向を調整することによって、出射光の経路（図中の矢印）を制御し、各光源１４からの光が発光部２０の異なる領域をそれぞれ通って照射されるように構成されている。かかる構成では、光をいったん反射層１８で拡散反射させてから利用するので、直下型ＬＥＤアレイから直接光を取り出す従来の発光装置に比べて輝度ムラの少ない光を生成することができる。
さらに、発光面を構成する領域毎に光源を割り当てることによって、必要に応じて照射領域毎の独立制御が可能となり、たとえば部分的に明度を増減させて均一な光を作り出すといった微調整が可能な発光装置を提供することができる。

ＬＥＤ光源１４および光学素子１６を複数個備えた本発明の発光装置５０は、種々の光源を組み合わせて用いることで、（１）演色性の高い照明装置への応用および（２）可変色照明への応用が可能となる。

たとえば演色性の高い照明用光源として本発明の発光装置５０を利用する場合、早朝や夕方など使用時間帯に応じて照明の光量を調整することができるように構成すれば、自然光により近い快適な照明効果を実現することができる。また、読書用、映画鑑賞用などの使用環境に応じて照明の特性を変更するといった利用法も考えられる。

また、可変色照明への応用例としては、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の発光色をもつＬＥＤ光源を組み合わせて用いることで、ユーザの端末操作で照明の色を自由に調整できる照明装置が考えられる。また、照明効果を動的に制御して、経時的に光の色が変化するような演出照明を実現することも可能となる。

図１１に、ＬＥＤと制御器の構成例の概念図を示す。各ＬＥＤ光源７４に対して関連する駆動電流等を制御するコントローラ７２がそれぞれ与えられ、ユーザインタフェース７８を介してユーザが制御端末を操作し、プロセッサ７６を介して制御信号をコントローラ７２に送れるように構成することによって、各ＬＥＤ光源７４を独立制御することができる。

次に図１４を参照して、本発明の発光装置１０'を照明装置８０に適用した一例を説明する。中空部材１２並びにＬＥＤ１４および光学素子１６の配置は、図１および図２を参照して説明した本発明の一形態と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略するものとする。ケーシング１７内部にはＬＥＤ１４および光学素子１６に加えて、ＬＥＤ１４用の基板（図示せず）およびＬＥＤ１４に駆動電流を流すための駆動回路（図示せず）が含まれる。さらに、ケーシング１７の端部には、通電用の口金２６が設けられており、天井据付型の蛍光灯など従来の屋内照明器具に置き換えて本形態の照明装置８０をそのまま使用することができる。

なお、この例では図１および図２に示した本発明の一形態の発光装置を照明装置に採用したが、他の図面または本明細書に記載された他の形態に係る発光装置も同様に照明装置に適用することができる。

以上のとおり、本発明の発光装置は、室内で使用する一般的な照明装置の光源を代替するものとして利用できるが、他の広範な用途にも適用することができる。たとえば、演劇や撮影用の演出照明の光源として利用できるほか、スキャナなどの光学読取り装置用の光源としても利用できる。とくに読取装置用の光源として本発明の発光装置を用いるときは、発光部２０から照射される光を再び集光するために、発光部２０の光路前方に集光レンズを別途取り付けてもよい。

本発明の一形態の発光装置の説明図。 図１のII−IIの線に沿う断面図。 光学素子の一形態の説明図。 本発明の別形態の発光装置の断面図。 本発明の別形態の発光装置の断面図。 ＬＥＤ光源を中空部材内部に備えた本発明の一形態の発光装置の説明図。 両端にＬＥＤ光源を備えた本発明の一形態の発光装置の説明図。 複数のＬＥＤ光源を備えた本発明の一形態の発光装置の説明図。 本発明の一形態の発光装置の側面概略図。 本発明の一形態の発光装置の説明図。 本発明の一形態の発光装置の説明図。 本発明の一形態の発光装置の説明図。 本発明の照明装置における制御手段の構成例を示す概念図。 本発明の発光装置を備えた照明装置の一例を示す図。 従来のＬＥＤアレイランプの説明図。 ＬＥＤ光源を一端に設けた従来のＬＥＤランプの説明図。

符号の説明

１０，３０，４０，５０，６０，７０ 発光装置
１２ 中空部材
１４ ＬＥＤ
１４ａ ＬＥＤ素子
１４ｂ 基板
１５ ケーシング
１６ 光学素子
１７ ケーシング
１８ 第１の反射面
２０ 発光部
２２ 全反射型コリメータレンズ
２４ 第２の反射面
２６ 口金
７２ コントローラ
７４ ＬＥＤ
７６ プロセッサ
７８ ユーザインタフェース
８０ 照明装置

Claims (6)

1. 線状の発光面を有する発光装置であって、
   一対の端部を有し、略全長にわたって線状に延在する発光部を備えた中空部材と、
   前記中空部材の少なくとも一方の端部近傍に配設された少なくとも１つのＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源に近接して配設され、ＬＥＤ光源から出射された光を前記中空部材内の空間に導入する光学素子と、を具備し、
   前記中空部材は、前記発光部を除くその外面または内面に、第１の反射面を有することを特徴とする、前記発光装置。
2. 中空部材が、ＬＥＤ光源が配置された端部に対向する他の端部に、第２の反射面を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光装置。
3. 複数のＬＥＤ光源および当該複数のＬＥＤ光源のそれぞれに対して配設された光学素子を具備し、当該光学素子は、それぞれのＬＥＤ光源からの出射光特性を均一化させるように、所与の光学的特性を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の発光装置。
4. 複数のＬＥＤ光源および当該複数のＬＥＤ光源のそれぞれに対して配設された光学素子を具備し、当該複数のＬＥＤ光源のうち少なくとも１つは、他のＬＥＤ光源のスペクトルと異なるスペクトルを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。
5. 複数のＬＥＤ光源および当該複数のＬＥＤ光源のそれぞれに対して配設された光学素子を具備し、当該光学素子は、その対応するＬＥＤ光源からの光が他のＬＥＤ光源からの光と実質的に異なる照射領域を有するように、所与の光学的特性を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の発光装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の発光装置を光源として用いた照明装置。

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