JP2011049144A - Led illumination system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、発光ダイオード(以下LEDという)を光源としたLED照明装置に関する。 The present invention relates to an LED lighting device using a light emitting diode (hereinafter referred to as LED) as a light source.
照明装置としては、これまで蛍光ランプ等を光源とするものが多かったが、近年LEDを光源とするものが種々の分野で実用化されている。LEDは蛍光ランプより発光効率が高いため、これを光源として使用した照明装置は、消費電力を低減することが可能となる。 Many lighting devices have used fluorescent lamps or the like as light sources, but those using LEDs as light sources have been put into practical use in various fields in recent years. Since an LED has higher luminous efficiency than a fluorescent lamp, an illumination device using the LED as a light source can reduce power consumption.
LEDを光源として直線状あるいは平面状の照明装置を形成する場合は、多数のLED素子を、直線状又は平面状に均等な間隔で並置する方法が一般的である。 In the case of forming a linear or planar illumination device using an LED as a light source, a method in which a large number of LED elements are juxtaposed at equal intervals in a linear or planar manner is common.
しかしながら、この方法では点状に発光源が多数並ぶため、全体が均等な明るさの直線状あるいは平面状光源とすることが困難であった。そこでLED素子の前面に拡散効果をもつシート状の拡散部材を配置して、LED素子の直進光を拡散することで明るさの分布が均一で滑らかな直線状あるいは平面状光源とすることが行われている。しかし、拡散部材は光の透過率が60%程度と低いため、光の利用効率が低下し、照度が低く暗くなることにより、LEDを光源とする照明装置を、蛍光ランプを用いた照明装置の代わりにすることができなかった。 However, in this method, since a large number of light sources are arranged in the form of dots, it is difficult to obtain a linear or planar light source with uniform brightness as a whole. Therefore, a sheet-like diffusing member having a diffusing effect is arranged on the front surface of the LED element, and the straight light from the LED element is diffused to obtain a linear or planar light source having a uniform and smooth brightness distribution. It has been broken. However, since the light transmittance of the diffusing member is as low as about 60%, the light use efficiency is reduced, and the illuminance is low and dark, so that the illumination device using the LED as the light source is replaced with the illumination device using the fluorescent lamp. I couldn't replace it.
これらの問題点を解決するため、特許文献1に示されるような導光技術を用いた直線状又は平面状の照明装置が提案されている。
In order to solve these problems, a linear or planar illumination device using a light guide technique as shown in
特許文献1に示された従来の第1の照明装置の構成を図8〜10に示す。
The structure of the conventional 1st illuminating device shown by
図8〜10において、50は照明装置であり、LED素子51と、これを保持する基板52と、これらを収容するLEDケース53と、上下端の入光面54a,54bから入射されたLED素子51からの光を、正面の出光面54eから出射させる平板状の導光部材54とを備える。導光部材54は透明なアクリル板やガラス板で構成され、入光面54a,54bから入射された光の進行方向に沿う正面の出光面54eと対向する背面54fには、入射したLED素子51の光を乱反射させ出光面54eから出射されるように進行方向を変更するV溝57等からなる拡散手段が形成されている。V溝57が形成された背面54fには反射シート56が密着されている。拡散手段のV溝57は、LED素子51に近い位置にある溝ほど溝の深さを浅く、又は溝の密度を粗くして出光面54eへ向かう拡散光の量が小さくなるようにしている。また、LED素子51から遠い位置にある溝ほど溝の深さを深くし、又は溝の密度を密にして出光面54eへ向かう拡散光の量が大きくなるようにしている。これによって出光面54eの全体の明るさの分布を均等にすることができる。
8-10, 50 is an illuminating device,
反射シート56は、高反射率の白色のプラスチックシートを用いる。反射シート56と導光部材54とはできるだけ密着させることが望ましく、この反射シートの代わりに反射鏡を用いるようにしてもよい。また、導光部材54の外側面に高反射率の塗料を塗布した場合は、反射シートは不要となる。
As the
照明装置50は、導光部材54と、導光部材54の上下端の入光面54aにLED素子51の出射端が位置するように基板52を配置し、基板52および導光部材54の一部を覆うようにLEDケース53を被せて構成される。
The
このような照明装置50においては、電源から電力を供給してLED素子51を点灯すると、LED素子51の発光光が、入光面54a、54bから図10に矢印で示すように導光部材54に入射され、導光部材54の中を全反射しながら進行する。進行した光は、V溝57が、深さや密度がLED素子からの距離にしたがって変更されているので、その斜面57aにより進行方向が変えられて乱反射光となり、出光面54eの全面からほぼ均一な強度で同様に矢印で示すように出射するため、出光面54eの全面の照度むらが低減され、ほぼ均一な照度分布とすることができる。
In such an
前記の従来装置では、導光部材の光拡散面を形成する溝の深さやピッチをLED素子からの距離に応じて調整することにより出光面の照度の均一化をはかるものであるが、導光部材の光拡散面の背面に反射シートを密着させるか、高反射率の塗料を塗布しているため、光拡散面で全反射が起こり、光の拡散効果が損なわれる。このために、導光部材の出光面からの光の出射量が低減し、照度が十分に得られず全体が暗くなるという問題がある。 In the above-described conventional device, the illuminance on the light-emitting surface is made uniform by adjusting the depth and pitch of the groove forming the light diffusion surface of the light guide member according to the distance from the LED element. Since the reflection sheet is adhered to the back surface of the light diffusing surface of the member or a highly reflective paint is applied, total reflection occurs on the light diffusing surface, and the light diffusing effect is impaired. For this reason, there is a problem in that the amount of light emitted from the light exit surface of the light guide member is reduced, and sufficient illuminance cannot be obtained, resulting in overall darkness.
この発明の課題は、このような問題を解決して、照度が高く、全体に均一な照度分布を得ることのできる導光部材を用いたLED照明装置を提供することである。 The subject of this invention is providing the LED illuminating device using the light guide member which can solve such a problem and can obtain uniform illumination intensity distribution with high illuminance on the whole.
前記の課題を解決するため、この発明は、一端面から入射された光を側面で全反射させて他端面側へ導光する導光部材と、この導光部材の一端面に発光光を入射するLED素子を備えたLED光源と、前記導光部材の少なくとも1側面を出光面とし、前記導光部材の少なくとも前記出光面と対向する側面に前記LED光源から導光部材に入射された光を前記出光面から出射される向きに拡散反射させるとともにこの1側面から透過させるように形成された拡散反射面を形成し、前記導光部材の少なくとも前記拡散反射面の形成された側面の外側に空気層を介して拡散反射部材を対向配置したことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is directed to a light guide member that totally reflects light incident from one end surface on the side surface and guides the light to the other end surface side, and emits light to one end surface of the light guide member. An LED light source including an LED element to be used and at least one side surface of the light guide member as a light exit surface, and light incident on the light guide member from the LED light source on at least a side surface of the light guide member facing the light exit surface A diffuse reflection surface is formed so as to diffusely reflect in the direction of exiting from the light exit surface and to be transmitted from the one side surface, and air is provided outside at least the side surface of the light guide member where the diffuse reflection surface is formed. The diffusive reflecting member is disposed so as to face each other through the layers.
また、この発明における、前記導光部材が、端面の幅より側面が長い長尺部材で構成され、前記側面に形成された拡散反射面は、前記端面からの距離が小さいほど光の拡散角度が小さく設定され、大きいほど光の拡散角度が大きくなるように設定するのがよい。 Further, in the present invention, the light guide member is composed of a long member whose side surface is longer than the width of the end surface, and the diffusion reflection surface formed on the side surface has a light diffusion angle as the distance from the end surface is smaller. It is preferable to set such that the light diffusion angle is set to be smaller and the light diffusion angle is larger as the value is larger.
この前記拡散反射面は、マイクロレンズを形成するような球面状の微小凹凸で形成することができる。そして前記拡散面は、拡散角度が面内の位置によって段階的に変化するように形成するのがよい。 The diffuse reflection surface can be formed with spherical minute irregularities that form microlenses. The diffusion surface is preferably formed such that the diffusion angle changes stepwise depending on the position in the surface.
この発明によれば、少なくとも導光部材の拡散反射面の形成される1側面の背面に、空気層を介して反射部材を対向配置するため、導光部材の1側面に形成された拡散反射面で拡散されないでこの面を透過して光が、この反射部材で反射されて再び導光部材に入射され、出光面から出射されるようになるため、拡散効果が増大し、明るい照明装置とすることができる。 According to this invention, at least the back surface of one side surface on which the diffuse reflection surface of the light guide member is formed is disposed so as to face the reflection member via the air layer, and thus the diffuse reflection surface formed on one side surface of the light guide member. The light that is transmitted through this surface without being diffused by the light is reflected by the reflecting member, is incident on the light guide member again, and is emitted from the light exit surface, so that the diffusion effect is increased and the lighting device is bright. be able to.
長尺の導光部材を使用した長尺の照明装置であっても、導光部材の1側面に形成される拡散面での拡散光量を導光部材のLED発光光の入射される入光面となる端面からの距離が大きくなるほど大きくなるように構成しているので、導光部材の出光面から出射される光の明るさが全体に均一になる。 Even if it is a long illuminating device using a long light guide member, the amount of light diffused on the diffusion surface formed on one side surface of the light guide member is changed to a light incident surface on which LED light emitted from the light guide member is incident. Therefore, the brightness of the light emitted from the light exit surface of the light guide member becomes uniform as a whole.
この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the embodiments shown in the drawings.
図1ないし図5は、この発明の実施例を示すものであり、これらの図において、10は、照明装置の本体である。この本体10は、図2に示すように、透明のアクリル樹脂で形成された長尺の平板状の導光部材11と、この導光部材11を保持する、溝形の金属製保持枠13と、導光部材11と保持枠13との間に介装される反射体12とで構成される。保持枠13内に収容された導光部材11は、保持枠13に止めねじ15によりねじ止めされた押え板14により保持枠13から脱落しないように固定されている。
1 to 5 show an embodiment of the present invention. In these drawings,
照明装置本体10の両端にLED光源20が結合される。LED光源20は、図3に示すように、基板22に支持された複数のLED素子21と、これを収容するLEDカバー23を備える。LEDカバー23は、絶縁性の樹脂で構成され、図4に示すように内部に放熱シート24を介してLED素子21と熱的に結合された熱伝導板25を収容する。基板22から引き出されたリード線28は、カバー23の側面に設けたリード引出し口29から引き出され、電源に接続される。
An
LEDカバー23に収容された熱伝導板25は、LEDカバー23の天上壁にねじ止め等によって固定され、LED素子21を支持する基板22がLEDカバー23内に設けられた取付け座23aに取付けねじ27により固定される。このようにLEDカバー23内に収められたLED素子21は放熱シート24を介して熱伝導板25と接触し、LED素子21の発生熱が放熱シート24を介して熱伝導板25へ伝導される。
The
このように構成されたLED光源20は、LEDカバー23を照明装置本体10の保持枠13の両端に嵌め込むことにより、LEDカバー23内のLED素子21が保持枠13内の導光部材11の両端面に対向して配置される。これにより、LED素子21の発光光を導光部材11の入光面となる端面11a,11bから導光部材21内に入射することができる。また、LEDカバー23内の熱伝導板25の内面が、図4に示すように本体10の保持枠13の外側面と接触するようになる。これにより、放熱シート24を介して熱伝導板25に伝導されたLED素子21の熱が、金属製の保持枠13に伝導され、この保持枠13の表面から大気中に放熱され、LED素子21を冷却することができる。
In the
導光部材11は、図5に示すように、端面の幅より側面の長さが長い、透明のアクリル樹脂で形成された細長い直方体で構成されている。入光面となる両端面11a,11bに対向してLED光源20が配置される。入光面11a,11bから導光部材11内に入光されたLED光源の発光光は、導光部材11の4つの側面の1つの側面が出光面11cとなる。導光部材11に入光された光が、この出光面11cから出光されるように進行方向を変更するために、側面内の少なくともこの出光面11cと対向する側面11dには、この面が拡散反射面となるようにシボ加工等によりマイクロレンズのような微小の球面状の凹凸11vがランダムに多数形成されている。
As shown in FIG. 5, the
そしてこのように多数の微小の凹凸11vによって形成された拡散反射面11dを、LED光源20に近い端部分11d−1と遠い中央部分11d−2とに区分し、端部分11d−1では、反射面における光の拡散角度を例えば6°程度の小さい角度に設定し、中央部分11d−2では反射面の光の拡散角度を12°程度の大きな角度に設定することにより、拡散反射面11dでの光の反射機能(反射光量)が光源から近い部分より遠くなる部分で大きくなるようにしている。これによって導光部材中を伝播中の光の減衰が補償される。拡散反射面11dにおける反射機能の調整は、拡散反射面11dを形成する凹凸の大きさや高さをかえることによっても行うことができる。この場合、拡散反射面11dは、光源からの距離に応じて反射機能が徐々に変化するように形成することも、段階的に変化するように形成することもできるが、反射機能が段階的に変化する拡散反射面とした方が製造コスト面で有利となる。
The diffuse
上記拡散反射面の加工法として、金型を用いたプレス加工する方法がある。すなわち、微小の凹凸を有する原版の形状を電気鋳造法により転写した金型を、導光部材11に対してプレス加工することによって、導光部材11に微小の凹凸を有する拡散反射面を形成することができる。
As a method of processing the diffuse reflection surface, there is a method of pressing using a mold. In other words, the
次に導光部材11におけるLED光源20から入射された光の伝播動作について説明する。
Next, the propagation operation of the light incident from the LED
図6に示すように、LED光源20で発光された光は、空間の空気層を介して導光部材11の端面の入光面11a、11bから導光部材11に入射される。導光部材11に入射された光は、導光部材11の各側面の空間の空気と接する界面にて、導光部材11と空気との屈折率の差によって全反射を起こしながら導光部材中を他方の端面に向かって進行する。
As shown in FIG. 6, the light emitted from the LED
光が全反射を起こすためには、光を導光部材と空気との屈折率の差によって生じる臨界角以上の角度で導光部材の界面に当てる必要があるが、LED光源20から導光部材11に入光する時点の屈折率差により、入光角度は一定角以内になっているため、導光部材11の側面の空気との界面に光が当たるときには臨界角以上の角度が保持されている。また、この関係を維持して光を導光部材中で進行させるためには、導光部材の側面の表面は凹凸のない平滑面であることが望ましい。
In order to cause total reflection of light, it is necessary to apply light to the interface of the light guide member at an angle greater than the critical angle caused by the difference in refractive index between the light guide member and air. Since the light incident angle is within a certain angle due to the difference in refractive index at the time when the light enters 11, when the light strikes the interface with the air on the side surface of the
導光部材11から外部すなわち大気中に対して光を射出するためには、導光部材11の側面の1つに形成された拡散反射面11dおよびその外側に配置した拡散反射シート12で光の反射の角度を意図的に変えて全反射条件を崩して全反射が起こらないようにする必要がある。
In order to emit light from the
図6に示すように導光部材11内を全反射して伝播してきた光は、拡散反射面11dの形成された側面に当たることで乱反射して拡散され、反射角度が変わり、出光面となる側面11cに臨界角以下の角度で当たりその界面を透過して大気中に出光するようになる。一方で拡散反射面11dでは、その凹凸によって全反射条件も変わっているため、この面に当たった光の一部はこの面を透過して、外側の拡散反射シート12へ向かい、ここで反射して、拡散反射面11dを透過して再度導光部材11内へもどり、導光部材11の中を導光され、出光面から出光される。
これにより、導光部材11による導光効率が高まり、出光面11cからの出光量が増大し、照度が高く、明るい照明装置とすることができる。
As shown in FIG. 6, the light that has been propagated by being totally reflected in the
Thereby, the light guide efficiency by the
導光部材11の拡散反射面11dに光源からの距離に応じて光の拡散角度の変化する領域を2段階以上に設けることにより、図7に示すように出光面11cからの出光量を調節して全体の照度を均一な分布にすることが可能となる。図7の横軸は光導部材11の長さ(距離)を示し、中心を基準位置とし、この位置から左方向への距離を負数で、右方向への距離を正数で表している。縦軸は照度を示す。
By providing the diffuse
導光部材を用いた照明装置の照明範囲を長くするために長尺にする場合は、導光部材11の拡散反射面11dの光拡散角度を、光源からの距離に応じて数段階に分けて細かく調節することにより、導光部材の全体の出射光量を調節して、照度分布を均一にすることができる。
When elongating the illumination range of the illuminating device using the light guide member, the light diffusion angle of the diffuse
また、反射シート12は、拡散反射面11dで透過・散乱された光を反射して導光部材11にもどすので、導光部材11の中をさらに遠くへ伝播させることが可能となり、全体の照度を高めることができる。
Further, since the
この実施例では、2段階に拡散角度を変えているが、これより多数の段階で光拡散角度を変えてもよい。 In this embodiment, the diffusion angle is changed in two stages, but the light diffusion angle may be changed in more stages.
また、反射シート12を拡散反射面11dの外側に空気層を介して固定する方法として、反射シート12を拡散反射面11dの外側に粘着テープにより接着する方法を用いることができる。粘着テープは拡散反射面11dの一部に貼り付けるようにする。このようにすると、粘着テープの粘着機能により拡散反射面11dと粘着テープ、および反射シート12と粘着テープとが密着接合されることにより、拡散反射面11dと反射シート12とが粘着テープの厚み分だけ離れ、両者間に空気層を形成することができる。
In addition, as a method of fixing the
さらに、拡散反射面11dと粘着テープと反射シート12とが密着した部分においては、粘着テープによる光の拡散機能が付加される。例えば、粘着テープの機材が不織布である場合、不織布が微小の凹凸を有するため、拡散反射面11dを透過した光は、粘着テープによって拡散されるようになる。
Further, in the portion where the diffuse
上記粘着テープによる拡散特性は、拡散反射面による拡散特性とは異なるので、拡散反射面11dの粘着テープを貼り付けた部分と、粘着テープの貼り付けられていない部分とで、拡散特性が変わる。このことを利用して、粘着テープを貼り付ける位置や、粘着テープの面積を適宜に選択することによって、拡散反射面11dや反射シート12による拡散特性とあいまって、照度の均一化や、照度の向上を図ることができる。
Since the diffusion characteristic by the adhesive tape is different from the diffusion characteristic by the diffusive reflection surface, the diffusion characteristic changes between the part where the adhesive tape is attached to the diffuse
例えば、拡散反射面が、マイクロレンズのような微小な球面状の凹凸で形成され、拡散反射面と反射シート12お一部が粘着テープによって固定され、粘着テープを構成する機材が不織布である場合、粘着テープが貼り付けられている部分においては拡散角度が拡散反射面の拡散角度より大きいため、導光部材11を伝播中の光の減衰が、粘着テープの貼り付けられていない部分と比べて大きくなる。言い換えれば、粘着テープが貼り付けられている部分があるため、光をより多く拡散させて、大気中に出すことができる。
For example, when the diffuse reflection surface is formed of minute spherical irregularities such as microlenses, the diffuse reflection surface and a part of the
上記粘着テープによる拡散機能は、粘着テープを貼り付ける拡散反射面が微小な凹凸のない平滑な面であっても発揮される。すなわち、導光部材の拡散反射面の微小凹凸の形成されない平滑な面の粘着テープが密着して貼り付けられた部分は、導光部材との屈折率の差が空気層のそれと比べて小さくなり、光学的には導光部材と一体となるため、入射した光の一部は、平滑面を全反射せずに透過し、粘着テープの基材が有する微小凹凸によって拡散される。 The diffusion function by the pressure-sensitive adhesive tape is exhibited even if the diffuse reflection surface to which the pressure-sensitive adhesive tape is attached is a smooth surface without minute irregularities. That is, the difference between the refractive index of the light guide member and that of the air layer is smaller at the part where the adhesive tape of the smooth surface where the microscopic irregularities of the diffused reflection surface of the light guide member are not adhered. Since it is optically integrated with the light guide member, a part of the incident light is transmitted through the smooth surface without being totally reflected, and is diffused by the minute unevenness of the base material of the adhesive tape.
このように、導光部材11の平滑面に粘着テープを貼り付けて拡散機能を発揮させることを利用すれば、導光部材の光を拡散させたい部分に微小凹凸を形成することなく、粘着テープを貼り付けることで簡単に拡散機能を実現できる。
As described above, if the adhesive tape is applied to the smooth surface of the
10:LED照明装置
11:導光部材
11a,11b:入光面
11c:出光面
11d:拡散反射面
12:拡散反射シート
20:LED光源
10: LED illumination device 11:
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