JP2011040315A - 矩形領域を照射するｌｅｄ照明モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】矩形領域を照度一様に照射する照明モジュールを提供する。
【解決手段】レンズの形状が２つの非球面曲面とこれらの交線にフィレットを付した形状であり、前記２つの非球面曲面は、長軸を共有し短軸はそれぞれ異なる４つの半楕円をその断面として有する形状として定義されるものであって、前記ＬＥＤの中心を通りＬＥＤの発光面に直交する面を対称面とし、前記対称面に直交し前記ＬＥＤの中心を通る面を第一の定義面とし、前記共有する長軸を含み前記第一の定義面と直交する面を第二の定義面とし、前記短軸のうち２本は前記第一の定義面に含まれ、他の２本は前記第二の定義面に含まれるものとする
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置に関する。詳しくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む発光素子と、当該発光素子に接触し当該発光素子から発せられた光を受光するよう配置されたレンズとを有する照明モジュール、及び当該照明モジュールに用いられるレンズの設計方法に関する。

従来、道路や公園といった屋外の照明の発光装置としては、白熱灯や蛍光灯、水銀灯などが使用されていた。これらの発光装置は相対的に消費電力が大きく、また寿命が相対的に短いため電球交換などランニングコストが嵩む。そのため最近では、光源にＬＥＤを使用することが提案されている。

ＬＥＤを用いた街路灯の場合、形状は種々考えられるが、例えば特許文献１に開示されているように、複数のＬＥＤ光学ユニットを集積することでＬＥＤ照明灯具を構成するものが多数存在する。特許文献１においては、個々のＬＥＤ光学ユニットは各々に異なる配光特性を有するＬＥＤ光学モジュールが積載され、結果として異なる配光特性を有するＬＥＤ光学ユニットがＬＥＤ照明灯具上に複数配置される。その配置組合せにより、照射エリアをむらなく照射することを特徴とする照明灯具が開示されている。

しかし、上記開示文献において、個々のＬＥＤ光学モジュールが受け持つ照射領域内の照度一様性については開示が無い。そのため、ＬＥＤ照明灯具によって照射される領域内には照度に細かなムラが多数生じることになる。

また、個々のＬＥＤ光学モジュールが受け持つ照射領域が円形である場合、相互に重なり合う、或いは照射が及ばない領域が生じることで、照度にバラツキが出る。これを回避するためには矩形領域を照射するＬＥＤ光学モジュールを採用することが有効と考えられる。しかしこの点について、例えば特許文献２ないし特許文献４にあるように種々の形状のレンズが開示されているものの、矩形領域を均一に照射するＬＥＤ光学モジュールを構成するレンズについては開示が無かった。

とりわけ、道路照明においては照度の均一性が厳に求められるが、照明灯具の道路幅方向における設置位置、高さ、角度はロケーションによりまちまちであり、これらの設置条件に適した形状のレンズを設計するため、設計自由度の高いレンズを提供することについて希求されていた。

特開２００８−１０８６７４ 特開２００４−８７１７９ 特開２００８−３０５９２３ 特開２００３−２０９２８８

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、照射領域の照度を均一に照射する照明灯具を構成するための、矩形領域を照射するＬＥＤ照明モジュールを提供することを課題としている。

上記課題を解決するため請求項１に記載のＬＥＤ照明モジュールは、
略平面形状を有するチップ型又はＣＯＢ（チップオンボード）タイプのＬＥＤと、前記ＬＥＤの発光面側を覆うように配置されたレンズとを含むＬＥＤ照明モジュールであって、前記レンズの形状は、２つの非球面曲面とこれらの交線にフィレットを付した形状であり、前記２つの非球面曲面は、長軸を共有し短軸はそれぞれ異なる４つの半楕円をその断面として有する形状として定義されるものであって、前記ＬＥＤの中心を通りＬＥＤの発光面に直交する面を対称面とし、前記対称面に直交し前記ＬＥＤの中心を通る面を第一の定義面とし、前記共有する長軸を含み前記第一の定義面と直交する面を第二の定義面とし、前記短軸のうち２本は前記第一の定義面に含まれ、他の２本は前記第二の定義面に含まれることを特徴としている。

請求項２に記載のＬＥＤ照明モジュールは、前記ＬＥＤの発光面周縁部にリフレクタが更に配置されており、前記リフレクタはＬＥＤ側が細く、レンズ側が太い回転対称形である
ことを特徴としている。

請求項３に記載のＬＥＤ照明モジュールは、前記レンズの入射面の側面に固定用フランジを有していることを特徴としている。なおこれらのＬＥＤ照明モジュールにおけるレンズの材質には、ガラスを採用することもできる（請求項４）。

本発明のＬＥＤ照明モジュールによれば、レンズの表面形状を非球面自由曲面としたため配光制御に優れており、矩形領域を高効率で照度一様に照らすことができる。またレンズ形状を非対称形状にしたため、矩形領域の正面中心から傾いた位置に設置しても照度の一様性を実現することができる。また耐熱性、耐抗性が相対的に優れたガラス材質を用いることができるため、屋外照明用モジュールとしても適している。

本発明の第一の実施例にかかるＬＥＤ照明モジュール１の斜視図である。 同じくＬＥＤ照明モジュール１（レンズ１１）の別の角度からの斜視図である。 同じくＬＥＤ照明モジュール１（レンズ１１）の別の角度からの斜視図である。 ＬＥＤ照明モジュール１の正面図である。 図４におけるＡ−Ａ線断面図である。 図４におけるＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）ＬＥＤ照明モジュール１の正面図である。（ｂ）（ａ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。 （ａ）ＬＥＤ照明モジュール１の側面図である。 （ｂ）（ａ）におけるＤ−Ｄ線断面図である。 非球面曲面を定義する楕円の模式図である。 長軸に直交する平面における４つの楕円との交点を通るスプライン曲線の模式図である。 フィレットの曲面の定義方法を説明する模式図である。 本発明の第二の実施例にかかるＬＥＤ照明モジュール１の斜視図、正面図、平面図及び側面図である。 本発明の第三の実施例にかかるＬＥＤ照明モジュール１の斜視図、正面図、平面図及び側面図である。 本発明の第四の実施例にかかるＬＥＤ照明モジュール１の斜視図、正面図、平面図及び側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、全図を通じ同一部分には同一の符号を付すこととする。

図１は、本発明の第一の実施例にかかるＬＥＤ照明モジュール１の斜視図である。ＬＥＤ照明モジュールは、レンズ１１、ＬＥＤチップ１２、リフレクタ１３から構成されている。図２に示すように、レンズ１１の底面側つまりＬＥＤチップ１２を配置する側には、底面１１３の略中央部付近にＬＥＤチップ１２を内包するための空洞が設けられており、受光面１１１及び内側面１１２が存在する。リフレクタ１３は内側面１１２の内側に沿うように配置され、その中央部にＬＥＤチップ１２が配置される。

リフレクタ１３は円錐台の側面形状からなり、ＬＥＤチップ１２の発光面側の半径が短く、レンズ１３側の半径が長く構成されている。リフレクタ１３はＬＥＤチップ１２の発光面から側方方向に発せられる光をレンズ１１方向に反射する。これにより照明モジュールとしての発光効率が向上する。

ＬＥＤチップ１２（図示しない）はＬＥＤ素子を基盤電極であるプリント基板上に載せ、このＬＥＤ素子ともう一つの基板電極をボンディングワイヤーにて接続し、これを透明のエポキシ樹脂にて封止してなる。

次にレンズ１１の発光面側の形状について説明する。図３はレンズ１１を発光面からみた斜視図である。レンズ１１の発光面は、二つの凸曲面部１１４と、これに挟まれたフィレット部１１５とからなる。図４はＬＥＤ発光モジュール（レンズ１１）を発光面側から図示した正面図であり、図５はそのＡ−Ａ線における断面図、図６はそのＢ−Ｂ線における断面図である。図５に示されているように、凸曲面部１１４は非球面曲面にて構成されており、これとフィレット部１１５とは段差を生じない連続曲面となっている。

図６に示すように、フィレット部１１５は凸曲面部１１４に比して基底部から頂部にいたるまで絞りがかかった形状となっている。これは図４からも明らかなように、ＬＥＤチップ１２は発光面からの正面視においてレンズ１１の略中央、つまりフィレット部１１５の直下に位置することから、発光面の直上部分にあたるフィレット部１１５の長手方向においては凹形状とすることで光を長手方向に拡散させ、照射領域の照度一様性を実現するためである。一方短手方向においては凸レンズ形状となっており、所定の矩形領域内に集光させる形状となっている。

次に図７から図１０を用いて、非球面曲面である凸曲面部１１４の形状の規定方法について説明する。図７（ａ）はＬＥＤ照明モジュール１（レンズ１１）の発光面からの正面図である。レンズ１１は図中に示した対称面ＳＡを境にして左右対称に構成されている。図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＣ−Ｃ線での断面図に、凸曲面部１１４を規定する仮想半楕円を重ねて表示したものである。凸曲面部１１４は、長軸を共有し短軸はそれぞれ異なる４つの半楕円をその断面として有する形状として定義される。共通長軸ＬＡは、ＬＥＤチップ１２の中心を通り対象面ＳＡと垂直な面（本Ｃ−Ｃ断面）上に規定する。また４つの半楕円のうち二つ（半楕円ＥＬ１、半楕円ＥＬ２）はこの面上に配置される。

図８（ａ）はＬＥＤ照明モジュール１（レンズ１１）の側面図である。またＤ−Ｄ線は上記したように規定した共通長軸を含み上記Ｃ−Ｃ断面と垂直な面を表している。図８（ｂ）は図８（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。非球面曲面を規定する残り２つの半楕円（ＥＬ３、ＥＬ４）は、この断面上に配置される。すなわち共通長軸ＬＡを前述の半楕円（ＥＬ１、ＥＬ２）と共有し、これらと垂直な面であるＤ−Ｄ断面上において、所定の短軸長さを定義されることにより決定される。

次にこれら４つの半楕円から凸曲面部１１４の非球面形状を定義する過程について説明する。図９は、Ｃ−Ｃ断面上において上記のように定義された各半楕円（ＥＬ１、ＥＬ２）を正面視した模式図である。二つの半楕円は同一平面上に現れ、長軸を共有することから、二つの半楕円の短軸長さが近似する場合、図示するように略楕円形状として認識される。ただし短軸長さは当該ＬＥＤ照明モジュールを配置する条件により適宜変更されるパラメータである。

長軸に直交する平面ＳＣを仮想し、これと各半楕円（本図の場合、ＥＬ１、ＥＬ２）との交点（ＩＰ１、ＩＰ２）を確定する。同様に、図示しないが、Ｄ−Ｄ断面上において定義された各半楕円（ＥＬ３、ＥＬ４）についても、これと共通長軸に直交する平面ＳＣとの交点（ＩＰ３、ＩＰ４）を確定する。

図１０は、共通長軸ＬＡに直交する平面ＳＣに現れる４つの交点（ＩＰ１、ＩＰ２、ＩＰ３、ＩＰ４）を結ぶスプライン曲線を模式的に示したものである。これが非球面曲面の発光側表面を定義する曲線となり、共通長軸ＬＡに直交する平面ＳＣを共通長軸ＬＡに並行に連続的に設定することにより描かれる軌跡の集合により凸曲面部１１４が規定される。

次に図１１を用いてフィレット部１１５の曲面定義の説明を行う。図１１は、図７（ａ）のＣ−Ｃ面において表れる端面の一部を示した図である。フィレット部１１５の表面形状は、パラメータとして任意設定可能な半径ｒを有する円が凸曲面部１１４の端面として表れる曲線と正接する２点間の弧によって規定される。この半径ｒが大きければフィレット部の幅は長くなり、小さければ短くなる。同様な演算をＣ−Ｃ端面と平行な端面において順次行うことにより、フィレット部１１５の発光面側曲面形状が規定される。

なお上記における仮想楕円の頂点の位置、長軸の長さ、傾き、短軸の長さ、フィレット半径ｒは、設計パラメータとして所望の値を設定することが可能である。これらのパラメータを順次変動させることにより、照度分布が一様に近づくように最適化させる。これらを変数としてとることにより、形状を変化できる範囲が大きい一方、パラメータが多すぎずソフトウェアにおける演算において最適化しやすいというメリットがある。

またレンズ１１の形状としても、滑らかな曲面で構成され光線の向きが不連続に変化するエッジが生じないため照度一様性に寄与するという利点がある。とりわけレンズ１１の発光側曲面として非球面曲面を採用することができるため、曲率半径を適宜設計することができ、所望の配光制御を行うことができる。

本発明にかかるＬＥＤ発光モジュール１が適用される典型的な場面としては街灯照明が挙げられるが、街灯照明においては所望する照射領域と照明との配置が一様ではなく、また往々にして照射領域の中心からずれ、傾いた位置に取り付ける場合がある。こうした場合にも、上記のように短軸をパラメータとして設計可能としていることにより、矩形照射領域の短辺方向にレンズ形状を非対称に設計することができ、適用性が高まるという利点がある。

なおレンズ１１の形状として、例えば図１２のようにフランジ部を設けてもよい。また図１３のようにＬＥＤチップ１２のハウジング部を設けず底面１１３が平面形状となっており、これにＬＥＤチップ１２を接触するように配置してもよい。更には受光面１１１も非球面自由曲面とすることにより光の拡散収束をコントロールするようにしてもよい。

１ ＬＥＤ照明モジュール
１１ レンズ
１２ ＬＥＤチップ
１３ リフレクタ
１１１ 受光面
１１２ 内側面
１１３ 底面
１１４ 凸曲面部
１１５ フィレット部
ＳＡ 対称面
ＬＡ 共通長軸
ＥＬ１、ＥＬ２、ＥＬ３、ＥＬ４ 半楕円

Claims (4)

1. 略平面形状を有するチップ型又はＣＯＢ（チップオンボード）タイプのＬＥＤと、
   前記ＬＥＤの発光面側を覆うように配置されたレンズと
   を含むＬＥＤ照明モジュールであって、
   前記レンズの形状は、２つの非球面曲面とこれらの交線にフィレットを付した形状であり、
   前記２つの非球面曲面は、長軸を共有し短軸はそれぞれ異なる４つの半楕円をその断面として有する形状として定義されるものであって、
   前記ＬＥＤの中心を通りＬＥＤの発光面に直交する面を対称面とし、
   前記対称面に直交し前記ＬＥＤの中心を通る面を第一の定義面とし、
   前記共有する長軸を含み前記第一の定義面と直交する面を第二の定義面とし、
   前記短軸のうち２本は前記第一の定義面に含まれ、他の２本は前記第二の定義面に含まれる
   ことを特徴とするＬＥＤ照明モジュール。
   
2. 前記ＬＥＤの発光面周縁部にリフレクタが更に配置されており、
   前記リフレクタはＬＥＤ側が細く、レンズ側が太い回転対称形である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤ照明モジュール。
   
3. 前記レンズの入射面の側面に固定用フランジを有し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ＬＥＤ照明モジュール。
4. 前記レンズはガラス材質であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＬＥＤ照明モジュール。

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