JP2012028095A - 蛍光ロッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光灯よりも消費電力の少ない発光ダイオードを用いて、端部から少数個の発光ダイオードの光を入射し、側面発光を実現する柱状発光体において、従来の蛍光灯と比較して十分な明るさが得られる蛍光ロッドシステムを提供する。
【解決手段】円柱状導光体０１０１と、円柱状導光体の端部から円柱状導光体に光を入射する発光ダイオード０１０２と、円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも１本の帯状光反射層０１０３と、円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも一列以上の蒲鉾型のレンズ層０１０４を備えた構造とした。
【選択図】図１

Description

本件発明は、従来の蛍光灯の代わりに利用可能であるような柱状発光体に関する。

従来、照明器具に用いる柱状発光体の一つに、ロッド状の蛍光灯がある。このような蛍光灯は、側面から光を出射するが、複数本を並べることで、容易に広い面積を照射することができ、例えばオフィスや工場等の天井、駅などの公共機関に、多数配列して用いられている。しかし、特に多数配列して用いる場合には、消費電力が大きくなる。

一方、消費電力が少なく、長寿命の発光ダイオードを用いるものとして、発光ダイオードを平面に多数個配列することにより、面発光を実現したものもある。しかし、発光ダイオードを多数個配列する場合には、発光ダイオード個々の消費電力が小さくとも、全体としては消費電力が大きくなるので、省電力化を十分に実現できないという問題がある。また、発光ダイオードを多数個用いる場合には、発光ダイオードの放熱量全体も増加するが、この放熱を解決することが難しく、放熱面積が広く必要となるなどの問題があった。

この課題を解決するものとして、柱状発光体の端部から少数個の発光ダイオードの光を入射し、側面発光を実現する柱状発光体が知られている（特許文献１）。
特開２００３−１４１９０４

しかし、柱状発光体の端部から少数個の発光ダイオードの光を入射し、側面発光を実現する柱状発光体は、省電力化を実現できるものの、発光ダイオードの個数が少ないために、従来の蛍光灯と比較して、十分な明るさが得られない。特に、光源である発光ダイオードから遠い中心部分が暗くなること、側面発光した光の照射距離が短く、１．５ｍから２ｍ程度に限定されることから、照明装置としての実用に適さない。

以上の課題を解決するため、本願出願人は、以下に記載の発明を提供する。

第一の発明として、円柱状導光体と、円柱状導光体の端部から円柱状導光体に光を入射する発光ダイオードと、円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも１本の帯状光反射層と、円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも一列以上の蒲鉾型のレンズ層と、を備えることを特徴とする柱状発光体を提供する。

第二の発明として、円柱状導光体の少なくとも一端部に光反射板を備える第一の発明に記載の柱状発光体を提供する。

第三の発明として、発光ダイオードの発光正面を円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置した第一の発明または第二の発明に記載の柱状発光体を提供する。

第四の発明として、光反射板は、光反射面を円柱状導光体軸中心方向から円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置した第一の発明から第三の発明のいずれか一に記載の柱状発光体を提供する。

第五の発明として、光反射板は、凸面鏡又は凹面鏡となっている第一の発明から第三の発明のいずれか一に記載の柱状発光体を提供する。

本発明の柱状発光体により、発光ダイオードの個数が少なくても、より明るい柱状発光体を提供することができる。

以下、本件発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。なお、実施形態１は主に請求項１などに関する。実施形態２は、主に請求項２から５などに関する。
<<実施形態１>>
<実施形態１：概要>

本実施形態の柱状発光体は、円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも一列以上の蒲鉾型のレンズ層を備えることを特徴とする。
<実施形態１：全体の構成>

図１は、本実施形態の柱状発光体の概念斜視図である。

また、図２は、本実施形態の柱状発光体の概念図であり、（ａ）が長手方向に沿う縦断面図、（ｂ）が長手方向と垂直に交わる横断面図を示している。

本実施形態の柱状発光体は、円柱状導光体（０２０１）と、発光ダイオード（０２０２）と、帯状光反射層（０２０３）と、レンズ層（０２０４）と、を備える。なお、長手方向は、０２０５の両矢印で示された方向をいう。
<実施形態１：各部の構成>
（円柱状導光体）

「円柱状導光体」（０２０１）は、後述する発光ダイオードから入射された光により、側面全体が明るく光る円柱状の発光部材である。光の透過率が高い材料でできている。例えば、透明性アクリル系樹脂又はガラス系樹脂、ゲル、石英等である。なお、円柱状導光体に光を入射する発光ダイオードが、紫外線ＬＥＤである場合は、石英が好ましい。

円柱状導光体は、例えば、コアと呼ばれる中心部分と、このコアを被覆するクラッドとの二層構造により構成しても良い。コアはクラッドより、屈折率が高い材料でできている。このため、コアとクラッドの境界面に臨界角よりも大きな入射角で進入する光は境界面で反射され、円柱状導光体全体に広がっていくこととなる。一方で、臨界角よりも小さな入射角で進入する光は、円柱状導光体の外側へ出射されるので、円柱状導光体の側面全体が明るく光ることになる。

あるいは、円柱状導光体は、単層構造としてもよい。この場合、円柱状導光体の構成材料は、空気よりも屈折率が高いので、円柱状導光体外部の空気との境界面に臨界角よりも大きな入射角で進入する光は境界面で反射され、円柱状導光体全体に広がっていくこととなる。一方で、臨界角よりも小さな入射角で進入する光は、円柱状導光体の外側へ出射されるので、円柱状導光体の側面全体が明るく光ることになる。

円柱状導光体は、角のない円柱形状、又は、略円柱形状をしていることが好ましい。角のない形の方が、境界面で均一に反射が起こるので、円柱状導光体全体が均一に明るく光るからである。ただし、後述する帯状光反射層の部分など、一部が平面的に構成されていても良い。

なお、本実施形態の柱状発光体の製造について、発光ダイオードと円柱状導光体の先端部との中間に、円柱状導光体を形成するゲルと同じ又は異なる材質のシート状のゲル、あるいは、円柱状導光体を形成する材料と異なる材質のシート状のゲルを挟み込むように圧縮してもよい。あるいは、発光ダイオード基板を収納する発光ダイオード基板ケース（０２０７）内部に、円柱状導光体と同じ又は異なる材質のゲル（０２０８）を充填すれば良い。これらの場合は、発光ダイオードから出力された光が円柱状導光体端部の境界面で反射されることなく、円柱状導光体内に入射される光の減衰率を低下させることができる。この結果、円柱状導光体の明るさを約２０％以上向上させることができる。
（発光ダイオード）

「発光ダイオード」（０２０２）は、電気を利用して発光する半導体素子である。本明細書中において、「ＬＥＤ」という場合も同じ意味である。発光ダイオードを利用することにより、省電力かつ長寿命効果が期待できる。特に、定期的な交換の頻度を激減させることができるため、取り替え作業が発生する場所での利用に特に適する。照明として用いる場合、発光ダイオードは、白色であることが好ましいが、どのような色を発色するものであってもよい。この発光ダイオードは、円柱状導光体の端部から円柱状導光体に光を入射する機能を有する。

発光ダイオードの個数は、特に限定されない。また、発光ダイオードは、円柱状導光体の両端部からそれぞれ円柱状導光体に光を入射することとしても良い。光源である発光ダイオード付近の方が明るいので、両端部から発光ダイオードの光を入射させれば、両端部の明るさの違いがなくなり、円柱状導光体をより均一に光らせることができる。
（帯状光反射層）

「帯状光反射層」（０２０３）は、光を反射する帯状の層である。

帯状光反射層は、例えば、白色顔料や散乱材を円柱状導光体の外側又は内側に印刷、塗布等することにより形成してもよい。白色顔料や散乱材は、光散乱性の強い材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂等の金属酸化物粒子、ＢａＳＯ₄等の硫酸塩粒子、ＣａＣＯ₃等の炭酸塩粒子、ガラス微粉末やガラスバルーンなどの無機化合物粒子、微小なエアーセルを形成したマイクロ発泡体等の１種又は２種以上からなることとすればよい。

なお、この際、円柱状導光体の一部を平面的に構成すれば、印刷、塗布が容易である。しかし、帯状光反射層は、必ずしも平面的に構成される必要はなく、円柱状導光体の側面形状に沿った形状の曲面等で構成されていてもよい。

あるいは、帯状光反射層は、円柱状導光体の一部を反射材混合樹脂とすることにより形成することもできる。具体的には、円柱状導光体を形成する透明材料に、光散乱性の強い材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂等の金属酸化物粒子、ＢａＳＯ₄等の硫酸塩粒子、ＣａＣＯ₃等の炭酸塩粒子、ガラス微粉末やガラスバルーンなどの無機化合物粒子、微小なエアーセルを形成したマイクロ発泡体等の１種又は２種以上を混入することにより形成するといった具合である。

あるいは、帯状光反射層は、金属を磨き上げたり、樹脂や金属、ガラスなどに金属を蒸着やメッキした鏡面であったり、プリズムやガラスビーズを埋め込んだ反射材であっても良い。

また、帯状光反射層は、円柱状導光体の長手方向に沿って配置される。

帯状光反射層により光が反射されるので、円柱状導光体において、帯状光反射層が配置された面は、光が出射せず、暗くなる。逆に、帯状光反射層の反射面に対向する面は、出射する光束が増加するので、明るくなる。帯状光反射層は、円柱状導光体の長手方向に沿って配置されるので、円柱状導光体の長手方向に沿って帯状に、他の部分より明るく発光する部分が生じる。

なお、光源となる発光ダイオード付近は、相対的に明るく、光源から離れるにつれて暗くなるので、逆に、光源付近では帯状光反射層の面積を小さく、光源から離れるほど、帯状光反射層の面積を大きくすることにより、円柱状導光体の側面を長手方向に均一に光らせることができる。

帯状光反射層は、少なくとも１本配置されていれば良いが、複数本配置されていても良い。
（レンズ層）

「レンズ層」（０２０４）は、凸レンズによって構成されている層である。横断面は、略蒲鉾型をしている。

図３は、レンズ層の機能を示す模式図の一例であり、(ａ)は、レンズ層が１本配置された場合を、（ｂ）はレンズ層が３本配置された場合を示している。この図のように、帯状光反射層（０３０３）に反射した光が、円柱状導光体（０３０１）の側面から出射する際、レンズ層（０３０４）を通過すると、光が集束するため、単位面積当たりに照射される光束がレンズ層通過後は増加する。したがって、照度が高くなる。これにより、光源である側面発光した光の照射距離も向上し、照明装置としての実用に適した柱状発光体が実現できる。

図４は、本実施形態の柱状発光体を照明として使用した場合の概念図の一例である。点線で示したのは、レンズ層がない場合の、主な照射範囲である。一方、実線で示したのは、レンズ層がある場合の主な照射範囲である。この照射範囲内では、レンズ層がない場合よりも、照度が高くなる。

また、レンズ層により、出射する光束を平行にそろえることで、照射距離を伸ばすことができる。

レンズ層の材質は、ガラス系樹脂、アクリル系樹脂、ゲルレンズ等が考えられる。ゲルレンズには、フレネルレンズを用いることとしても良い。

レンズ層は、円柱状導光体の長手方向に沿って少なくとも１本配置されていれば良い。また、２本以上配置されていても良い。例えば、図３（ｂ）のように、３本配置するといった具合である。この場合は、円柱状発光体の照射方向を広げたり、照射方向の照度をさらに向上させたりすることができる。

あるいは、レンズ層は、蒲鉾型に代えて、おわん型のレンズを複数個配列することとしても良い。この場合は、照明による演出効果が得られる。

レンズ層は、円柱状導光体と一体成形されることとしても良い。この場合は、円柱状導光体とレンズ層との境界面がなく、円柱状導光体から出射する光が減衰することなくレンズ層に入射するので、光の伝達効率が高い。

あるいは、レンズ層は、円柱状導光体に対して接着又は圧着することとしても良い。例えば、密着性の良いゲルレンズを圧着するといった具合である。ゲルレンズを圧着する場合は、円柱状導光体から出射する光が、他の物質を介することなくゲルレンズに入射するので光の伝達効率が高い。
<実施形態１：効果>

本実施形態の柱状発光体により、発光ダイオードの個数が少なくても、より明るい柱状発光体を提供することができる。
<<実施形態２>>
<実施形態２：概要>

本実施形態の柱状発光体は、実施形態１を基本としつつ、さらに、円柱状導光体の少なくとも一端部に光反射板を備えることを特徴とする。

さらに、発光ダイオードの発光正面を円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置したことを特徴とする。

さらに、光反射板は、光反射面を円柱状導光体軸中心方向から円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置したことを特徴とする。

さらに、光反射板は、凸面鏡または凹面鏡となっていることを特徴とする。
<実施形態２：全体の構成>

図５は、本実施形態の柱状発光体の長手方向の縦断面を示す概念図の一例である。本実施形態の柱状発光体は、円柱状導光体（０５０１）と、発光ダイオード（０５０２）と、帯状光反射層（０５０３）と、レンズ層（０５０４）と、光反射板（０５０５）と、を備える。円柱状導光体と、発光ダイオードと、帯状光反射層と、レンズ層については、実施形態１で述べたところと同様であるので、説明を省略する。
（光反射板）

「光反射板」（０５０５）は、円柱状導光体の端部から入射された発光ダイオードからの光を反射するために、円柱状導光体の他端部に設けられた板状の部材である。光反射板は、円柱状導光体の端部から、光が漏れるのを防ぎ、円柱状導光体の側面から出射される光量を増大させることにより、柱状発光体の明るさを向上させる機能を有する。

光反射板は、例えば、白色顔料や散乱材を円柱状導光体の端部に印刷、塗布等することにより形成してもよい。白色顔料や散乱材は、光散乱性の強い材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂等の金属酸化物粒子、ＢａＳＯ₄等の硫酸塩粒子、ＣａＣＯ₃等の炭酸塩粒子、ガラス微粉末やガラスバルーンなどの無機化合物粒子、微小なエアーセルを形成したマイクロ発泡体等の１種又は２種以上からなることとすればよい。

あるいは、光反射板は、柱状導光体の端部を反射材混合樹脂とすることにより形成することもできる。具体的には、柱状導光体を形成する透明材料に、光散乱性の強い材料、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＳｉＯ₂等の金属酸化物粒子、ＢａＳＯ₄等の硫酸塩粒子、ＣａＣＯ₃等の炭酸塩粒子、ガラス微粉末やガラスバルーンなどの無機化合物粒子、微小なエアーセルを形成したマイクロ発泡体等の１種又は２種以上を混入することにより形成するといった具合である。

あるいは、光反射板は、金属を磨き上げたり、樹脂や金属、ガラスなどに金属を蒸着やメッキした鏡面であったり、プリズムやガラスビーズを埋め込んだ反射材であっても良い。

なお、この図のように、円柱状導光体の両端部に発光ダイオードからの光を入射させる場合には、反射板の一部に穴を開けて、そこから発光ダイオードの光を入射させることとすればよい。あるいは、反射板は、特定の波長の光のみを透過し、その他の波長の光を反射する反射板とし、発光ダイオードから入射する波長の光を透過させ、発光ダイオードが帯状光反射層の蛍光材料を励起させたことにより出射する波長の光を反射させるようにしても良い。

さらに、光反射板で反射された光が、円柱状導光体に均一に広がるように、光反射板の円柱状導光体側に凸レンズ又は凹レンズを配置しても良い。
（発光ダイオードの配置角度）

発光ダイオードの配置角度は、特に限定されないが、例えば、発光ダイオードの発光正面を円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置しても良い。発光正面は、発光ダイオードの光が出射される面であり、図２（ｃ）の発光ダイオードの模式図において、斜線で示された０２０６の部分である。

さらに好ましくは、図２（ａ）のように、発光ダイオードの発光正面が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に対向するような角度に傾けて配置すればよい。円柱状導光体の両端部に発光ダイオードを備える場合には、円柱状導光体の中央部が、最も光源である発光ダイオードから遠く、暗くなる。この場合、発光ダイオードの発光正面が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に対向するような角度に傾けて配置することにより、発光ダイオードからの光のうち、最も明るい中心部分の光が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に直接入射するため、中央部分を明るくすることができる。
（光反射板の配置角度）

光反射板の配置角度は、特に限定されないが、例えば、図５のように、光反射面を円柱状導光体軸中心方向（０５０６）から円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置することが好ましい。帯状光反射層に入射する光束が増加し、帯状光反射層の反射面に対向する面をより明るく光らせることができるからである。さらに、発光ダイオードの発光正面が、円柱状導光体の軸中心に対して垂直に配置されている場合には、円柱状導光体軸中心に沿って進む光が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に反射するような角度で配置することが好ましい。このように配置することにより、発光ダイオードからの光のうち、最も明るい中心部分の光が、光反射板の光反射面に反射して、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に入射するため、中央部分を明るくすることができる。
（光反射板の形状）

光反射板の形状は特に限定されないが、例えば、凸面鏡又は凹面鏡となっていてもよい。この場合、光反射板で反射された光は、集束又は拡散し、円柱状導光体に均一に広がるので、円柱状導光体全体を均一に光らせることができる。
<実施形態２：効果>

本実施形態の柱状発光体により、発光ダイオードの個数が少なくても、より明るい柱状発光体を提供することができる。
<<その他>>

なお、円柱状導光体の内部へ効率的に入光させることで、明るい柱状発光体を提供することができる。以下に記載の柱状発光体については、レンズ層を必須の構成要素としない。
<ゲルの利用に関する技術>

発光ダイオードと円柱状導光体の先端部との中間に、円柱状導光体を形成するゲルと同じ又は異なる材質のシート状のゲル、あるいは、円柱状導光体を形成する材料と異なる材質のシート状のゲルを挟み込むように圧縮してもよい。あるいは、発光ダイオード基板を収納する発光ダイオード基板ケース（０２０７）内部に、円柱状導光体と同じ又は異なる材質のゲル（０２０８）を充填すれば良い。これらの場合は、発光ダイオードから出力された光が円柱状導光体端部の境界面で反射されることなく、円柱状導光体内に入射される光の減衰率を低下させることができる。この結果、円柱状導光体の明るさを約２０％以上向上させることができる。
<発光ダイオードの配置角度に関する技術>

発光ダイオードの配置角度は、発光ダイオードの発光正面を円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置すれば良い。発光正面は、発光ダイオードの光が出射される面であり、図２（ｃ）の発光ダイオードの模式図において、斜線で示された０２０６の部分である。

さらに好ましくは、図２（ａ）のように、発光ダイオードの発光正面が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に対向するような角度に傾けて配置すればよい。円柱状導光体の両端部に発光ダイオードを備える場合には、円柱状導光体の中央部が、最も光源である発光ダイオードから遠く、暗くなる。この場合、発光ダイオードの発光正面が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に対向するような角度に傾けて配置することにより、発光ダイオードからの光のうち、最も明るい中心部分の光が、円柱状導光体の帯状光反射層の長手方向に対して１／２の部分に直接入射するため、中央部分を明るくすることができる。

実施形態１の柱状発光体の概念斜視図 実施形態１の柱状発光体の概念図 レンズ層の機能を示す模式図の一例 実施形態１の柱状発光体を照明として使用した場合の概念図の一例 実施形態２の柱状発光体の長手方向の縦断面を示す概念図の一例

円柱状導光体 ０１０１、０２０１、０３０１、０５０１
発光ダイオード ０１０２、０２０２、０５０２
帯状光反射層 ０１０３、０２０３、０３０３、０５０３
レンズ層 ０１０４、０２０４、０３０４、０５０４
長手方向 ０２０５
発光ダイオードの発光正面 ０２０６
発光ダイオード基板ケース ０２０７
ゲル ０２０８
光反射板 ０５０５
円柱状導光体軸中心方向 ０５０６

Claims (5)

1. 円柱状導光体と、
   円柱状導光体の端部から円柱状導光体に光を入射する発光ダイオードと、
   円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも１本の帯状光反射層と、
   円柱状導光体の長手方向に沿った少なくとも一列以上の蒲鉾型のレンズ層と、
   を備えることを特徴とする柱状発光体。
2. 円柱状導光体の少なくとも一端部に光反射板を備える請求項１に記載の柱状発光体。
3. 発光ダイオードの発光正面を円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置した請求項１または２に記載の柱状発光体。
4. 光反射板は、光反射面を円柱状導光体軸中心方向から円柱状導光体の帯状光反射層よりに傾けて配置した請求項１から３のいずれか一に記載の柱状発光体。
5. 光反射板は、凸面鏡又は凹面鏡となっている請求項１から３のいずれか一に記載の柱状発光体。

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