JP2010230887A

JP2010230887A - 照明装置

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Publication number: JP2010230887A
Application number: JP2009077104A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yoshida; 和雄吉田; Hideo Miyagi; 秀雄宮城; Shinji Noguchi; 晋治野口
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP5417005B2

Abstract

【課題】液晶レンズを用いて配光する照明装置において、製造コストを抑えつつ、液晶レンズを透過した照射光の光むらを抑える。
【解決手段】照明装置１は、重ねられた液晶レンズ４ａ、４ｂを有し、各液晶レンズ４ａ、４ｂは、液晶層４３を挟み、光照射方向から見て相似形状に形成された複数の透明な帯状電極４６を有する。光照射方向から見て手前の液晶レンズ４ａの各帯状電極４６は、その背後の液晶レンズ４ｂの各帯状電極４６間の境界を覆うように互い違いに配置されている。これにより、各帯状電極４６の重なる部位毎に透過光の光路の向きを調整することができ、従って、それらの各部位に幅を狭めた帯状電極４６を配設したときのような擬似的な微細構成とすることができる。このため、帯状電極４６の電極パターンに応じた照射光の光むらを抑えることができ、また、光むらを抑えるのに帯状電極４６を実際に微細構成とする必要がないので、製造コストを抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光素子の出力光を液晶レンズにより集めて配光する照明装置に関する。

従来から、この種の照明装置として、液晶レンズが液晶層を挟んで対向する複数対の透明な帯状電極を有し、光照射方向から見て、大きい帯状電極が小さい帯状電極を囲うように略同心円状に形成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの帯状電極は、液晶層の各部位に電圧を印加して、各部位毎に液晶分子の配向を調整し、屈折率を制御する。発光素子の出力光はこのような液晶レンズを透過して照射される。そのため、照射光に、帯状電極の電極パターンに応じた光むらが生じる虞がある。

そこで、光むらを抑えるため、帯状電極の幅を狭めて数を増やし、帯状電極を微細構成とすることが考えられる。しかしながら、この方法では、帯状電極の形成が煩雑になり、製造コストが高まる虞がある。

特開２００５−３１７８７９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、液晶レンズを用いて配光制御する照明装置において、製造コストを抑えつつ、液晶レンズを透過した照射光の光むらを抑えることができる照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、発光素子と、前記発光素子からの出力光を集めて配光する液晶レンズと、を備えた照明装置において、前記液晶レンズは、複数枚、重なるように配設され、各液晶レンズは、２枚の透明基板と、これら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、液晶層に印加する電圧を制御することにより液晶分子の配向を制御する電極部と、を有し、各液晶レンズの電極部は、互いに大きさが異なり、かつ光照射方向から見て相似形状に形成された複数の透明な帯状電極で構成され、大きい帯状電極が小さい帯状電極を囲うように配設された電極パターンを有し、光照射方向から見て手前の液晶レンズの各帯状電極は、その背後に在る液晶レンズの各帯状電極間の境界を覆うように互い違いに配置されているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記液晶レンズ毎に、各帯状電極の電極パターンは、それらの中心位置が所望の光照射方向に応じて、一致し、又は一方向に変位するように配置されているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の照明装置において、前記複数枚の液晶レンズのうちの少なくとも１枚には、透過光を拡散する拡散材料が封入されているものである。

請求項１の発明によれば、光照射方向から見て、手前の液晶レンズの各帯状電極と、背後の液晶レンズの各帯状電極とはずれて重なり、その重なる部位毎に透過光の光路の向きを調整することができるので、それらの各部位に幅を狭めた帯状電極を配設したときのような擬似的な微細構成とすることができる。このため、帯状電極の電極パターンに応じた照射光の光むらを抑えることができる。また、光むらを抑えるのに、帯状電極を実際に微細構成とする必要がないので、製造コストを抑えることができる。

請求項２の発明によれば、所望の方向に光を照射することができるので、演出照明を行うことができる。

請求項３の発明によれば、液晶レンズの透過光は拡散材料により拡散されるので、光むらをさらに抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る照明装置の断面構成図。上記装置の電気的ブロック図。上記装置において重ねられた２枚の液晶レンズの断面構成図。（ａ）は上記各液晶レンズの電極部の斜視図、（ｂ）は各電極部の平面図。上記各電極部と制御回路との回路構成図。上記液晶レンズの各部位の印加電圧と実効複屈折率とを示す図。（ａ）は上記２枚のうちの光照射方向から見て手前の液晶レンズの擬似レンズ厚を示す図、（ｂ）はその背後の液晶レンズの擬似レンズ厚を示す図、（ｃ）は上記２枚の液晶レンズを重ねたときの擬似レンズ厚を示す図。上記装置を適用した街路灯の斜視図。（ａ）は上記実施形態の一変形例に係る照明装置の液晶レンズの電極部の平面図、（ｂ）上記装置による光照射領域の明るさ分布を示す平面図。（ａ）は上記とは別の変形例に係る照明装置の液晶レンズの電極部の平面図、（ｂ）上記装置による光照射領域の明るさ分布を示す平面図。

以下、本発明の一実施形態に係る照明装置について図面を参照して説明する。図１及び図２は、本実施形態に係る照明装置の構成を示す。この照明装置１は、筐体２と、筐体２に収容された発光素子３と、発光素子３からの出力光を集めて配光する２枚の液晶レンズ４ａ、４ｂと、発光素子３を点灯制御する点灯回路５と、液晶レンズ４ａ、４ｂを駆動制御する液晶レンズ制御回路（以下、制御回路という）６と、発光素子３からの出力光を液晶レンズ４ａ、４ｂへ向けて反射する反射板７とを備える。筐体２は光出射口２１を有する。

液晶レンズ４ａ、４ｂは重なり、光出射口２１を塞ぐように筐体２に取り付けられている。液晶レンズ４ａは光照射方向から見て手前に在り、液晶レンズ４ｂはその背後に在る。液晶レンズの枚数は２枚に限定されず、複数枚であればよい。制御回路６は、液晶レンズ４ａ、４ｂ内の液晶層に印加する電圧を制御することにより、光の焦点距離及び光照射領域を制御し、配光制御を行う。

反射板７は筐体２内において光出射口２１へ向けて拡径した椀状であり、発光素子３は反射板７の内底部に配置されている。発光素子３、液晶レンズ４ａ、４ｂ、点灯回路５及び制御回路６への電源供給は商用電源から行われる。点灯回路５及び制御回路６は筐体２の適宜の位置に取り付けられる。

図３は液晶レンズ４ａ、４ｂの構成を示し、図４（ａ）（ｂ）は液晶レンズ４ａ、４ｂが有するそれぞれの電極部の構成を示す。液晶レンズ４ａ、４ｂは、それぞれ、２枚の透明基板４１と、これら透明基板４１の間に液晶材を封じ込めるためのシール材４２と、透明基板４１の間に封入された液晶材から成る液晶層４３と、液晶層４３に電圧を印加する電極部４４と、を有する。電極部４４は、上記の制御回路６による制御の下、印加電圧を制御することにより液晶分子４３ａの配向を制御し、このようにして液晶層４３の屈折率を調整する。

電極部４４は、それぞれ液晶層４３を挟んで上下に対向する透明な中心電極４５と帯状電極４６と（以下、電極４５、４６と総称）で構成される。中心電極４５は略円盤状とし、帯状電極４６は中心電極４５の外周を囲うように配設されており、上下で１対として、それらが５対、設けられている。帯状電極４６は各対毎に、互いに大きさが異なり、光照射方向から見て略Ｃ字の相似形状に形成されている。これらの帯状電極４６は、大きい帯状電極４６が小さい帯状電極４６を囲うように配設された電極パターンを形成している。電極４５、４６はＩＴＯ透明導電膜により構成でき、各電極４５、４６の間には絶縁部材が挿入されている。電極４５、４６はそれぞれ、上下に対向する面に配向膜を有し、それらの配向膜は電圧無印加状態で液晶分子４３ａの主軸を略水平又は僅かに斜めとする。電極４６の数は上記に限定されず、複数対であればよい。

液晶レンズ４ａの各帯状電極４６は、液晶レンズ４ｂの各電極４５、４６間の境界Ｌ１を覆い、さらにはそれらの間に在る絶縁部材も覆うように、液晶レンズ４ｂの帯状電極４６と断面視で互い違いに配置されている。液晶レンズ４ａの各電極４５、４６は、液晶レンズ４ｂのそれらと比べ、それぞれ、寸法が小さい。液晶レンズ４ａの各帯状電極４６は、液晶レンズ４ｂにおいて互いに隣り合う帯状電極４６の幅半分ずつを、境界Ｌ１を跨いで覆っていることが望ましい。液晶レンズ４ａ、４ｂのそれぞれの帯状電極４６の帯幅は同じであっても、又は異なっていてもよい。帯状電極４６の切欠部分は、その部分が光照射面に投影されることを抑えるため、上下に重ならないことが望ましい。

液晶レンズ４ａ、４ｂのいずれにおいても、電極４５、４６のそれぞれの中心位置は所望の光照射方向に応じた位置とする。本実施形態では光照射方向は発光素子３の光軸Ｃ１方向とし、各電極４５、４６の中心位置は光軸Ｃ１と一致している。

また、電極部４４は、帯状電極４６のＣ字の切欠部分に引出電極４７を有し、引出電極４７は各電極４５、４６と制御回路６とを繋ぐ。各電極４５、４６は制御回路６により制御され、それぞれが、互いに異なる電圧を液晶層４３に印加し、各部位毎に屈折率を異ならせ、液晶層４３にレンズ機能を持たせる。

図５は、液晶レンズ４ａ、４ｂの各々の電極部４４と制御回路６の回路構成を示す。同図には、各電極部４４において、液晶層４３の上側に配置された電極４５、４６だけを図示している。ここで、電極４５、４６から引き出された引出電極４７を、引出元である中心電極４５から最外周の帯状電極４６の順に、引出電極４７ａ〜４７ｅと称する。各電極部４４のいずれについても、そのように称する。

制御回路６は、可変電圧源６１と、可変電圧源６１の出力電圧が両端に印加される分圧抵抗器６２とで構成される。可変電圧源６１は、交流電源又は直流電源のいずれでもよい。可変電圧源６１の一出力端子は、基準電位とされた基準接点６２ａに接続されている。分圧抵抗器６２には引出電極４７ａ〜４７ｅが接続されている。

液晶レンズ４ａの引出電極４７ａ〜４７ｅと、液晶レンズ４ｂのそれらとは、それぞれ、並列に接続されている。液晶レンズ４ａ、４ｂのいずれにおいても、引出電極４７ａは基準接点６２ａと接続され、引出電極４７ｂ〜４７ｅはそれぞれ、分圧抵抗器６２の所定の点に接続されて互いに異なる電位に設定されている。不図示であるが、液晶層４３下側の各電極４５、４６は基準接点６２ａに接続されている。このような回路構成により、液晶レンズ４ａの各電極４５、４６と、液晶レンズ４ｂの各電極４５、４６とは、それぞれ、１対１対応で同電位に設定されている。また、各液晶レンズ４ａ、４ｂにおいて、各電極４５、４６の電位は互いに異なる所定の値に設定されている。ここで、各電極４５、４６による印加電圧を、最内周から最外周の順にＶ_１〜Ｖ_５という。

図６は、液晶レンズ４ａの各部位への印加電圧Ｖ_１〜Ｖ_５と、各部位の実効複屈折率Δｎとの関係を示す。実効複屈折率Δｎとは、液晶レンズ４ａを透過する光が常光と異常光とに分かれたときのそれらの光路差である。同図には、印加電圧Ｖの理想特性Ｌｖと、実効複屈折率Δｎの理想特性Ｌｎとを示す。理想特性Ｌｎは、液晶レンズ４ａを凸レンズとして機能させるための特性を示し、理想特性Ｌｖは理想特性Ｌｎを実現するための印加電圧特性を示す。理想特性Ｌｎは、Δｎがレンズ中心で最高となり外周へ向かうに連れて下がる回転放物面状の特性である。理想特性Ｌｖは、レンズ中心から外周へ向けて印加電圧が漸進的に高まる特性である。なお、Ｖ_１は略ゼロに設定されている。

実効複屈折率Δｎは、液晶分子４３ａの主軸の傾きに応じて変動し、主軸が水平に近づくほどΔｎは高くなる。レンズ中心では、Ｖ_１は略ゼロであり、液晶分子４３ａの配向は略水平となるので、Δｎは最大となる。また、レンズ中心から外周へ向かうに連れて、Ｖ_２〜Ｖ_５は漸進的に高まるので、液晶分子４３ａの主軸の向きは徐々に略垂直に近づき、Δｎは減少する。このような設定により、Δｎは理想特性Ｌｎに沿った値を取り、液晶レンズ４ａは、略中心から周縁に向かって厚みが薄くなり屈折率が略一様な通常の凸レンズとして機能する。ここでは、液晶レンズ４ａについてだけ説明したが、液晶レンズ４ｂについては液晶レンズ４ａと同等の実効複屈折率Δｎ分布を有するので説明は省略する。

図７（ａ）〜（ｃ）は、液晶レンズ４ａのみのときと、液晶レンズ４ｂのみのときと、本実施形態のように液晶レンズ４ａ、４ｂとを重ねたときの擬似レンズ厚を示す。擬似レンズ厚とは、液晶レンズを通常のレンズに置き換えたときのそのレンズ厚に相当する値である。

図７（ａ）に示すように、液晶レンズ４ａは凸レンズとして機能するので、その擬似レンズ厚は、液晶レンズ４ａの中心で最大となり、レンズ中心から外周へ向かうに連れて減少する。減少の仕方は、帯状電極４６の位置及び幅に応じた階段状となる。図７（ｂ）に示すように、液晶レンズ４ｂの擬似レンズ厚もレンズ中心から外周へ向けて階段状に減少するが、液晶レンズ４ｂの各電極４５、４６はそれぞれ、液晶レンズ４ａのそれらよりも寸法が大きいので、各減少位置は外周方向にずれる。

図７（ｃ）に示すように、液晶レンズ４ａ、４ｂを重ねた本実施形態の擬似レンズ総厚は、図７（ａ）（ｂ）の擬似レンズ厚特性を重ね合わせたものとなり、レンズ中心で最高となり、外周へ向かうに連れて、より多い段数で、かつ、より少ない変化量で減少する。液晶レンズ４ａ、４ｂの組み合わせは、それぞれが単体の場合と比べ、通常の滑らかな凸レンズに近づき、従って、より細かく透過光の光路を調整することが可能となる。

図８は、照明装置１を用いた街路灯を示す。この街路灯８は、照明装置１を上端に支持する支柱８１を備え、照明器具１は斜め下方を向いている。照明装置１において、液晶レンズ４ａ、４ｂは略中心が頂点の凸レンズとして機能するので、焦点Ｐ１は光照射領域Ａ１の略中央に位置し、その付近が最も明るくなり、外周へ向かうに連れて暗くなる。

上記のように構成された本実施形態の照明装置１においては、光照射方向から見て、手前の液晶レンズ４ａの各帯状電極４６と、背後の液晶レンズ４ｂの各帯状電極４６とはずれて重なり、その重なる部位毎に透過光の光路の向きを調整することができる。従って、それらの各部位に、幅を狭めた帯状電極４６を配設したときのような擬似的な微細構成とすることができる。このため、帯状電極４６の電極パターンに応じた照射光の光むらを抑えることができる。また、光むらを抑えるのに、帯状電極４６を実際に微細構成とする必要がないので、製造コストを抑えることができる。

また、液晶レンズ４ａ、４ｂの各電極４５、４６の中心位置が所望の光照射方向に応じた位置であるため、所望の方向に光を照射することができ、演出照明を行うことができる。また、液晶レンズ４ａ、４ｂは重ねられているので、レンズ総厚が厚くなり、従って、焦点制御範囲を広くすることができる。

次に、上記実施形態の第１の変形例に係る照明装置について図面を参照して説明する。図９（ａ）は、本変形例に係る照明装置の電極部４４を示す。この電極部４４は、上記実施形態の構成と比べ、電極パターンが異なる。各電極４５、４６の電極パターンの中心位置は、所望の光照射方向に応じて、一方向に変位するように配置されている。各帯状電極４６は、最外周のものから最内周のものまで、その中心位置が徐々に一方向に変位して寄っている。帯状電極４６において引出電極４７を配設するための切欠部分は、引出電極４７の長さを短くするため、上記変位方向に形成されている。

図９（ｂ）は、上述の街路灯８（図８参照）において、上記実施形態の照明装置１の替わりとして本変形例の照明装置を用いたときの光照射領域Ａ１を示す。各電極４５、４６の中心位置が一方向に変位しているので、図８と比べ、焦点Ｐ１とその付近の最も明るい領域が一方向に変位している。

本変形例においては、各電極４５、４６の電極パターンの中心位置が所望の光照射方向に応じて一方向に変位しているので、その所望の方向に光を照射することができ、演出照明を行うことができる。

次に、上記実施形態の第２の変形例に係る照明装置について図面を参照して説明する。図１０（ａ）（ｂ）は、本変形例に係る照明装置の電極部４４と、該装置による光照射領域Ａ１とを示す。この電極部４４の電極パターンは、上記第１の変形例とはさらに異なる。本変形例の電極パターンは、光照射方向から見て、中心電極４５が略矩形状とされ、帯状電極４６が、中心電極４５を囲み一部が切欠された矩形枠の相似形状に形成されている。本変形例の照明装置を上述の街路灯８（図８参照）に用いたときの光照射領域Ａ１は角丸矩形状となる。

次に、上記実施形態の第３の変形例について説明する。本変形例の図示は省略し、上記図３を流用する。本変形例においては、透明基板４１の間に、液晶材に加えて、透過光を拡散する拡散材料が封入されている。この拡散材料は、例えばシリコン樹脂パウダ等の、液晶材よりも屈折率が低いものとする。拡散材料の形状は、真球状であることが望ましい。拡散材料は、その大きさが略２［μｍ］のものの場合は波長が略４００［ｎｍ］の光に対して拡散効力が大きく、大きさが略８［μｍ］のものの場合は波長が略６００［ｎｍ］の光に対して拡散効力が大きい。従って、拡散材料の形状は、発光素子３の出力光の波長に応じて選定されている。本変形例においては、液晶レンズ４ａ、４ｂの透過光は拡散材料により拡散されるので、光むらをさらに抑えることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、帯状電極４６は、光照射方向から見てＣ字形状に形成されるのではなく、切欠部のない同心円状に形成されていてもよい。

１照明装置
３発光素子
４ａ、４ｂ液晶レンズ
４１透明基板
４３液晶層
４４電極部
４６帯状電極
Ｌ１境界

Claims

発光素子と、前記発光素子からの出力光を集めて配光する液晶レンズと、を備えた照明装置において、
前記液晶レンズは、複数枚、重なるように配設され、
各液晶レンズは、２枚の透明基板と、これら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、液晶層に印加する電圧を制御することにより液晶分子の配向を制御する電極部と、を有し、
各液晶レンズの電極部は、互いに大きさが異なり、かつ光照射方向から見て相似形状に形成された複数の透明な帯状電極で構成され、大きい帯状電極が小さい帯状電極を囲うように配設された電極パターンを有し、
光照射方向から見て手前の液晶レンズの各帯状電極は、その背後に在る液晶レンズの各帯状電極間の境界を覆うように互い違いに配置されていることを特徴とする照明装置。
前記液晶レンズ毎に、各帯状電極の電極パターンは、それらの中心位置が所望の光照射方向に応じて、一致し、又は一方向に変位するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記複数枚の液晶レンズのうちの少なくとも１枚には、透過光を拡散する拡散材料が封入されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明装置。