JP2011228204A

JP2011228204A - 発光装置

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Publication number: JP2011228204A
Application number: JP2010098765A
Authority: JP
Inventors: Masaru Honma; 大本間
Original assignee: Toki Corp
Current assignee: Toki Corp
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: JP4901972B2

Abstract

【課題】白熱電球と類似した照明効果を得ることができる発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、発光ダイオード１２と、発光ダイオード１２からの光を拡散する光拡散部材２０とを備える。光拡散部材２０は、光透過性材料により略錐状に形成された錐体部２２と、錐体部２２の頂部２２ａから底面２２ｂに向かう方向に形成された孔部２４と、孔部２４の壁面に設けられた凹凸部２６とを備える。光拡散部材２０は、底面２２ｂに発光ダイオード１２からの光が入射されるよう配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明や装飾に用いられる発光装置に関し、特に発光ダイオードを用いた発光装置に関する。

近年、発光ダイオードの性能が著しく向上したことにより、小型のインジケータやバックライトなどの従来の用途はもちろん、店舗照明や装飾照明、さらには家庭用照明にも発光ダイオードが使われるようになってきている。

発光ダイオードは指向性が強いため、そのままでは白熱電球の代替として用いることが難しい。そこで、例えば特許文献１には、表面にフロスト加工を施した透光性の外囲器を発光ダイオードの周囲に設け、外囲器の外側でほぼ均等拡散発光を得られるようにした発光装置が開示されている。

特開２００７−２２０４３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発光装置では、外囲器のフロスト面が全体的に光るような照明効果となり、白熱電球のフィラメントが光っているような外観を創出することは難しい。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、白熱電球と類似した照明効果を得ることができる発光装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の発光装置は、光源と、光源からの光を拡散する光拡散部材とを備える。光拡散部材は、光透過性材料により略錐状に形成された錐体部と、錐体部の頂部から底面に向かう方向に形成された孔部と、孔部の壁面に設けられた凹凸部とを備える。

この態様によると、光源からの光は、錐体部側面での全反射と凹凸部での散乱とを繰り返し、孔部全体があたかも白熱電球のフィラメントのごとく発光する。また、凹凸部で散乱した光のうち錐体部側面での全反射条件を満たさない光は、錐体部外部の様々な方向に放出される。このように、本発光装置は、全方向に光を照射しつつ、フィラメントを有するかのように発光するので、白熱電球と類似した照明効果を得ることができる。

光拡散部材は、底面に光源からの光が入射されるよう配置されてもよい。また、孔部は、中空に形成されてもよい。また、光拡散部材は、孔部の底面と錐体部の底面との間に光透過性材料により形成された透光部を備えてもよい。また、透光部は、凹レンズを形成してもよい。

光拡散部材を囲うように設けられた透光性のカバー部材をさらに備えてもよい。また、カバー部材は、光拡散部材の孔部に挿入される突起部を有してもよい。

光源からの光を光拡散部材の底面に導く導光部材をさらに備えてもよい。また、光源は、発光ダイオードであってもよい。

本発明によれば、白熱電球と類似した照明効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係る発光装置を説明するための縦断面図である。発光装置の発光の様子を説明するための縦断面図である。本発明の別の実施形態に係る発光装置を説明するための縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置を説明するための縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置を説明するための縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置を説明するための縦断面図である。

図１は、本発明の実施形態に係る発光装置１０を説明するための縦断面図である。図１に示すように、発光装置１０は、光源としての発光ダイオード１２と、発光ダイオード１２に電流を供給するための回路基板１４と、回路基板１４を支持する基部１６と、発光ダイオード１２からの光を拡散する光拡散部材２０と、基部１６上に光拡散部材２０を支持するための支持部材１８とを備える。基部１６は、発光ダイオード１２から発生した熱を放熱するヒートシンクとしても機能する。

図１に示す実施形態において、発光ダイオード１２は表面実装型の発光ダイオードである。表面実装型の発光ダイオードは、ヒートシンクが砲弾型の発光ダイオードと比べて設け易いので、大電流を流して高い輝度で発光させることができる。

光拡散部材２０は、略錐状に形成された錐体部２２と、錐体部２２に形成された孔部２４と、孔部２４の壁面に設けられた凹凸部２６とを備える。

本実施形態において、錐体部２２は、光透過性材料により円錐形状に形成されている。錐体部２２は、頂部２２ａの中心からから底面２２ｂに下ろした垂線が底面２２ｂの重心を通る直錐体である。光透過性材料としては、例えばアクリル樹脂を例示できる。錐体部２２は、頂部２２ａと、円形平坦な底面２２ｂと、頂部２２ａと底面２２ｂとの間に形成された側面２２ｃとを有する。

孔部２４は、錐体部２２の頂部２２ａから底面２２ｂに向かう方向に形成されている。孔部２４は、中空円柱状の孔部であり、その中心軸は、錐体部２２の中心軸と一致している。孔部２４は、錐体部２２の頂部２２ａ側において開口しているが、底面２２ｂ側においては開口しておらず、孔部２４の底面２４ａと錐体部２２の底面２２ｂとの間には、光透過性材料により形成された透光部２８が設けられている。言い換えると、孔部２４は、錐体部２２の頂部２２ａから底面２２ｂにかけて完全には貫通しておらず、底面２２ｂ側に光透過性材料の層が残されている。

孔部２４の壁面には、凹凸部２６が設けられている。図１に示す実施形態において、凹凸部２６は、孔部２４にねじ切り加工することにより形成されている。凹凸部２６は、ねじ切り加工以外にも機械的または化学的な手法により孔部２４の壁面を荒らすことにより形成されてもよい。本実施形態において、凹凸部２６は、孔部２４の壁面の殆どの部分に形成されているが、孔部２４の底面２４ａ近傍の壁面は凹凸が形成されていない平坦部２２ｄとされている。例えば、凹凸部２６は、頂部２２ａ側から孔部２４の深さの９０％程度まで形成されるが、残り１０％程度は平坦部２２ｄとされている。

光拡散部材２０は、錐体部２２を射出成形により形成した後、孔部２４を頂部２２ａ側から開け、孔部２４の壁面に凹凸部２６を形成してもよい。あるいは、射出成形により一度に孔部２４が設けられた錐体部２２を形成した後、孔部２４の壁面に凹凸部２６を形成してもよい。

以上のように構成された光拡散部材２０は、底面２２ｂに発光ダイオード１２からの光が入射されるよう基部１６上に配置される。光拡散部材２０は、その中心軸が発光ダイオード１２の発光面１２ａの中心と垂直に交差するよう配置されることが好ましい。図１に示す実施形態では、発光ダイオード１２の発光面１２ａと光拡散部材２０の底面２２ｂとが当接しているが、離間していてもよい。

図２は、発光装置１０の発光の様子を説明するための縦断面図である。図２における矢印は、光の向きを表す。発光ダイオード１２は面発光の光源であるが、ここでは点光源とみなして説明する。発光ダイオード１２からは、様々な放射角で光が放射される。発光ダイオード１２は、例えば０°〜６０°の放射角を有するものであってよい。

図２において、放射角の比較的小さい光Ｌ１は、透光部２８を透過した後、孔部２４を通って頂部２２ａから外部に放射されている。また、放射角の比較的大きな光Ｌ２は、錐体部２２の側面２２ｃに直接入射した後、側面２２ｃから外部に放射されている。

また、光Ｌ１と光Ｌ２の間の放射角の光Ｌ３は、発光ダイオード１２から放射された後、底面２４ａおよび平坦部２２ｄで屈折し、側面２２ｃで全反射している。この側面２２ｃで全反射した光Ｌ３は、孔部２４の凹凸部２６にて散乱する。凹凸部２６で散乱した光のうち、側面２２ｃでの全反射条件を満たさない光Ｌ４，Ｌ５は、側面２２ｃから外部に放射される。一方、側面２２ｃでの全反射条件を満たす光Ｌ６は、側面２２ｃで全反射した後、凹凸部２６にて再び散乱する。また、図２には図示していないが、発光ダイオード１２から側面２２ｃに直接入射する光Ｌ２にも、側面２２ｃでの全反射、凹凸部２６での散乱、側面２２ｃでの外部への放射を繰り返す成分は存在する。このような全反射、散乱、および外部への放射が繰り返されることにより、発光ダイオード１２からの光が様々な方向に放出されるので、白熱電球と同じように全方向に光を照射する発光装置を実現できる。

また、本実施形態によれば、側面２２ｃでの全反射と凹凸部２６での散乱とが繰り返されることにより、円柱状の孔部２４全体が明るく光り、あたかも白熱電球のフィラメントが光っているかのような外観を呈することができる。

本実施形態に係る発光装置１０は、錐体部２２の側面２２ｃでの全反射を利用して発光ダイオード１２からの光の一部を錐体部２２内に閉じこめることにより、発光ダイオード１２から遠くに位置する凹凸部２６においても散乱が生じるように構成されている。これにより、円柱状の孔部２４が細長く光る発光体となり、白熱電球のフィラメントのように見えるのである。

円柱状の孔部２４の輝度を高めるためには、側面２２ｃで全反射する光を増やすことが有効である。そのために、本実施形態に係る発光装置１０は、側面２２ｃが傾斜した錐体を用いて光拡散部材２０を形成している。例えば側面が傾斜しない円柱体を用いて光拡散部材２０を形成した場合、発光ダイオード１２から放射された光の多くは、円柱体の側面で全反射することなく、円柱体の上面から外部に抜けてしまう。本実施形態のように側面２２ｃが傾斜した錐体を用いて光拡散部材２０を形成することにより、発光ダイオード１２から放出された後、側面２２ｃで全反射する光を増やし、孔部２４の輝度を高めることができる。

錐体部２２の側面２２ｃの傾斜角度は、発光ダイオード１２の放射角に応じて適宜設定すればよい。アクリル樹脂の屈折率を１．４８、空気の屈折率を１．０とすると、スネルの法則により、臨界角は約４３°となる。従って、発光ダイオード１２の放射角との兼ね合いになるが、４３°よりも大きい入射角で側面２２ｃに入射する光ができるだけ多くなるように側面２２ｃの傾斜角を設定すれば孔部２４の輝度を好適に高めることができる。

本実施形態では、側面２２ｃでの全反射と凹凸部２６での散乱を繰り返すことにより発光ダイオード１２からの光が頂部２２ａ方向に伝達されていくので、凹凸部２６で散乱する光の強度は底面２４ａから頂部２２ａに向かうにつれ小さくなる。一方、光拡散部材２０は錐体とされているので、底面２２ｂから頂部２２ａに向かうにつれ凹凸部２６から側面２２ｃまでの距離は短くなる。光の強度が小さくなるにつれ凹凸部２６から側面２２ｃまでの距離が短くなり、光が減衰され難くなるので、錐体部２２の頂部２２ａ側においても照射輝度を確保することができる。

上述したように、本実施形態では、孔部２４の底面２４ａと錐体部２２の底面２２ｂとの間に透光部２８を設けた。この透光部２８を設けたことにより、発光ダイオード１２からの光が底面２４ａにおいて屈折するので、発光ダイオード１２から放射された後、側面２２ｃに入射する光を増やすことができる。これにより、側面２２ｃで全反射する光を増やすことができるので、孔部２４の輝度を高めることができる。

また上述したように、本実施形態では、錐体部２２を円錐形状に形成し、孔部２４を円柱形状に形成している。これにより、側面２２ｃで全反射した光が錐体部２２の中心軸に向けて進み、また孔部２４の凹凸部２６において周囲に略均等に散乱するので、全方向に均等に光を照射する発光装置を実現できる。

また、本実施形態では、孔部２４を中空に形成した。これにより、錐体部２２と孔部２４の屈折率差が大きくなる。錐体部２２と孔部２４の屈折率差が小さい場合、孔部２４に入射する光は、凹凸部２６で散乱せずに孔部２４内部に抜けてしまう成分が多くなり、孔部２４の輝度が低下する。本実施形態のように孔部２４を中空にして錐体部２２と孔部２４の屈折率差を大きくすることにより、孔部２４に入射する光を好適に凹凸部２６で散乱させ、孔部２４の輝度を高めることができる。

本実施形態に係る発光装置１０は、光拡散部材２０が非常に簡易な構成であり、射出成形などの方法により容易に製造できるので、安価な発光装置を実現できる。

図３は、本発明の別の実施形態に係る発光装置３１０を説明するための縦断面図である。図３に示す発光装置３１０については、図１に示す発光装置１０と同一または対応する構成要素は同一の符号を用い、重複する説明は適宜省略する。

図３の発光装置３１０は、透光部２８が凹レンズを形成している点が、図１の発光装置１０と異なる。この凹レンズ状の透光部２８は、光拡散部材２０を射出成形で製造する際に形成してもよいし、図１のように円柱状の孔部２４を形成した後、透過性樹脂を孔部２４に流し込むことにより形成してもよい。

このように透光部２８を凹レンズに形成することにより、発光ダイオード１２から放射された後、側面２２ｃに入射する光を図１の発光装置１０よりも増やすことができる。これにより、側面２２ｃで全反射する光を増やすことができるので、孔部２４の輝度をより高めることができる。

図４は、本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置４１０を説明するための縦断面図である。図４に示す発光装置４１０は、図１に示す発光装置１０と、発光装置１０の光拡散部材２０を囲うように設けられた透光性のカバー部材４１２とを備える。発光装置は、図３に示す発光装置３１０であってもよい。

カバー部材４１２は、ドーム形状に形成されており、その表面はフロスト加工が施されていてもよい。カバー部材４１２の表面にフロスト加工を施すことにより、発光装置１０から照射された光がフロスト面で散乱し、より均等な強度で全方向に発光する発光装置を構成できる。

さらに、本実施形態に係る発光装置４１０においては、カバー部材４１２の頂部４１２ａに突起部４１４が設けられている。この突起部４１４は、頂部２２ａ側から孔部２４に挿入される。突起部４１４は、光透過性材料により形成されており、発光ダイオード１２から放出された後、孔部２４と通過してきた光を屈折する。発光ダイオード１２は、一般的に、発光面に対して垂直方向の放射強度が高い。従って、本実施形態のように突起部４１４を光拡散部材２０の孔部２４に挿入し、光を屈折させて光を分散させることで、より均等に光を照射することができる。

図５は、本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置５１０を説明するための縦断面図である。図５に示す発光装置５１０は、発光ダイオード１２と、回路基板１４と、基部１６と、光拡散部材２０と、発光ダイオード１２からの光を光拡散部材２０の底面２２ｂに導く導光部材５１２とを備える。

導光部材５１２は、略錐状に形成された導光部材であり、底面５１２ｂが錐体部２２の底面２２ｂと当接するように配置される。また、導光部材５１２は、頂部５１２ａに発光ダイオード１２からの光が入射されるように配置される。

導光部材５１２は、光透過性材料により形成されており、その側面５１２ｃは、発光ダイオード１２からの光を全反射し、導光部材５１２の外部に放射しないよう形成されている。従って、導光部材５１２の部分は、光って見えない。導光部材５１２により導かれた光は、錐体部２２の底面２２ｂに入射する。これにより、錐体部２２の底面２２ｂが面発光している状態となる。錐体部２２の底面２２ｂから放出された光は、上述したように側面２２ｃでの全反射、凹凸部２６での散乱、および外部への放射を繰り返し、全方向に光を照射しつつ、フィラメントを有するかのように発光する。

本実施形態によれば、錐体部２２の底面２２ｂを面発光させることにより、側面２２ｃにて全反射する光を増やし、孔部２４の輝度を高めることができる。

白熱電球は、一般的に、フィラメントが吊り子と呼ばれる支持部材により支持され、宙に浮いたような構成となっている。本実施形態によれば、光拡散部材２０と発光ダイオード１２との間に導光部材５１２を設けたことにより、フィラメントが宙に浮いているかのような外観を呈することができ、白熱電球に類似した照明効果を得ることができる。

図６は、本発明のさらに別の実施形態に係る発光装置６１０を説明するための縦断面図である。図６に示す発光装置６１０は、光拡散部材６２０の構造が図１に示す発光装置１０と異なる。

本実施形態の光拡散部材６２０は、アクリル樹脂などの光透過性材料により略錐状に形成された錐体部６２２と、錐体部６２２の側面６２２ｃに形成された凹凸部６２６とを備える。図６に示す実施形態において、凹凸部６２６は、側面６２２ｃにねじ切り加工することにより形成されている。凹凸部６２６は、ねじ切り加工以外にも機械的または化学的な手法により側面６２２ｃを荒らすことにより形成されてもよい。このように形成された光拡散部材６２０は、底面６２２ｂに発光ダイオード１２からの光が入射されるよう基部１６上に配置される。

発光装置６１０の発光の様子を説明する。発光ダイオード１２から放射された光は、錐体部６２２の底面６２２ｂから錐体部６２２内に入射した後、錐体部６２２内を通過し、頂部６２２ａおよび側面６２２ｃに入射する。頂部６２２ａに入射した光は、頂部６２２ａから外部に放射される。また、側面６２２ｃに入射した光は、側面６２２ｃに形成された凹凸部６２６で散乱し、外部に放射される。これにより、白熱電球と同じように全方向に光を照射する発光装置を実現できる。頂部６２２ａに入射した光を散乱するために、頂部６２２ａに凹凸部を設けてもよい。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素の組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施形態では、光源として表面実装型の発光ダイオード１２を用いたが、光源は特に限定されず、例えば砲弾型の発光ダイオードなどを用いてもよい。光源は指向性の有無に拘わらず選択することが可能であるが、上述したような本発明の効果を高めるためには、発光ダイオードなどの指向性のある光源を選択することが望ましい。指向性のある光源を用いた場合、光源が発する光のうち孔部の発光に寄与する光が増加するので、孔部を効率的に発光させることができる。

孔部２４は、錐体部２２の頂部２２ａから底面２２ｂにかけて貫通していてもよい。また、孔部２４内には、錐体部２２を形成する光透過性材料と屈折率が異なる物質が充填されていてもよい。

上述の実施形態では、錐体部２２は円錐状に形成したが、円錐に限られず、底面が多角形である角錐であってもよい。

１０、３１０、４１０、５１０、６１０発光装置、１２発光ダイオード、１４回路基板、１６基部、２０、６２０光拡散部材、２２、６２２錐体部、２２ａ、６２２ａ頂部、２２ｂ、６２２ｂ底面、２２ｃ、６２２ｃ側面、２４孔部、２６、６２６凹凸部、２８透光部、４１２カバー部材、４１４突起部、５１２導光部材。

Claims

光源と、
前記光源からの光を拡散する光拡散部材と、を備え、
前記光拡散部材は、
光透過性材料により略錐状に形成された錐体部と、
前記錐体部の頂部から底面に向かう方向に形成された孔部と、
前記孔部の壁面に設けられた凹凸部と、
を備えることを特徴とする発光装置。
前記光拡散部材は、底面に前記光源からの光が入射されるよう配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記孔部は、中空に形成され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。
前記光拡散部材は、前記孔部の底面と前記錐体部の底面との間に光透過性材料により形成された透光部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
前記透光部は、凹レンズを形成することを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
前記光拡散部材を囲うように設けられた透光性のカバー部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発光装置。
前記カバー部材は、前記光拡散部材の孔部に挿入される突起部を有することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
前記光源からの光を前記光拡散部材の底面に導く導光部材をさらに備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の発光装置。
前記光源は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の発光装置。