JP2012114022A - 照明装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】器具の小形化を達成しつつ、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置および照明器具を提供する。
【解決手段】照明装置１０は、発光モジュール１５とフレネルレンズ１６を具備し、発光モジュールは、基体１１に配設された固体発光素子１２と、固体発光素子の光の波長を変換する蛍光体層１３を有する面状発光部１４とを有する。フレネルレンズは、発光モジュールに対向し、かつ所定の間隔ｈ１を有して配置され、面状発光部の口径φ１に対して１〜２．７倍の口径φ２を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、発光ダイオード等の固体発光素子を光源とした照明装置および照明器具に関する。

近年、固体発光素子、例えば発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称する）は、その発光効率の向上により、一般照明用の光源として採用した照明装置が開発され、特に近年では、広い発光面積を有するＬＥＤモジュールを光源としたダウンライトやスポットライト等の照明器具が商品化されている。

特開２００８−３００２０７号公報

しかしながら、広い発光面積を有するＬＥＤモジュールをダウンライト等に適した配光角に制御するために、例えば、反射板で配光角を狭く制御するには、反射板の深さを深くするため高さ寸法が大となり器具全体を小形化することが困難となる。また、同時に、グレア発生の元になり、特に鏡面反射板とした場合には眩しさを顕著に感じる問題がある。

このため、この種の広い面状発光部を有する発光モジュールを光源とする照明装置においては、器具の小形化を達成しつつ、必要とする配光特性を如何に実現するかが重要な課題となっている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、器具の小形化を達成しつつ、目的とする配光特性を作り出すことが可能な照明装置および照明器具を提供しようとするものである。

実施形態の照明装置は、発光モジュールとフレネルレンズを具備し、発光モジュールは、基体に配設された固体発光素子と、固体発光素子の光の波長を変換する蛍光体層を有する面状発光部とを有する。フレネルレンズは、発光モジュールに対向し、かつ所定の間隔を有して配置され、面状発光部の口径に対して１〜２．７倍の口径を有する。

本発明によれば、器具の小形化を達成しつつ、目的とする配光特性を作り出すことが可能な照明装置および照明器具を提供することができる。

実施形態に係る照明装置を示す縦断面図。 同じく照明装置を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は底面図。 同じく照明装置のシミュレーション結果を示す配光曲線図で、（ａ）はシミュレーションＮｏ．１における配光曲線図、（ｂ）はシミュレーションＮｏ．２における配光曲線図、（ｃ）はシミュレーションＮｏ．３における配光曲線図、（ｄ）はシミュレーションＮｏ．４における配光曲線図。 同じく照明装置のシミュレーション結果を示す光源径と輝度均斉度の関係を示すグラフ。 同じく照明装置のシミュレーション結果を示す輝度分布図で、（ａ）は光源径３７％における輝度分布図、（ｂ）は光源径４６％における輝度分布図、（ｃ）は光源径５６％における輝度分布図、（ｄ）は光源径６５％における輝度分布図、（ｅ）は光源径７４％における輝度分布図。 同じく照明装置の変形例を示す縦断面図。 同じく照明装置を用いたダウンライト形の照明器具を示す縦断面図。 同じく照明装置を用いたＬＥＤ電球を示す断面図。

以下、照明装置および照明器具の実施形態につき、図に従い説明する。本実施形態の照明装置は、ダウンライト形の照明器具に用いられる光源体を構成するもので、図１〜図２に示すように、照明装置１０は、基体としての基板１１に配設された固体発光素子１２と蛍光体層１３を有する面状発光部１４とを有する発光モジュール１５と、発光モジュール１５に対向し、かつ所定の間隔を有して配置されたフレネルレンズ１６で構成する。

発光モジュール１５は、本実施形態では、リモート・フォスファーＬＥＤモジュールで構成され、基板１１に配設された固体発光素子１２と、基板に配設された固体発光素子１２に対向し所定の間隔を有して配設された蛍光体層１３をキャビティ１７内に収容して構成される。

基板１１は、本実施形態では、熱伝導性の良好なアルミニウム製の円形をなす板で構成され、基板１１の表面にはエポキシ系の有機材によって電気絶縁処理が施されている。そして、基板１１の表面には、固体発光素子１２、本実施形態では、複数の高輝度・光出力の青色ＬＥＤチップが実装されることにより集積されている。蛍光体層１３は、固体発光素子１２から放射される光の波長を変換するもので、蛍光体含有樹脂、本実施形態では、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を分散・混合した樹脂で構成され、円形をなす板状に成型されている。

上記に構成された基板１１および蛍光体層１３は、キャビティ１７内に、基板１１に配設された青色ＬＥＤチップ１２に対向し所定の間隔を有して蛍光体層１３が配設される。これにより、蛍光体層１３は、口径φ１を有する円形の面状発光部１４を形成し、円形の面状をなす広い発光面積を有して構成される。キャビティ１７は、熱伝導性の良好な金属、本実施形態では、アルミニウムでリング状をなす形状に構成されている。

なお、このように構成されたリモート・フォスファーＬＥＤモジュールは、広い面積から光を照射することができるが、配光角が略ランバーシャン（配光角１２０°）となるため、ダウンライト等に適用するためには、配光角を制御する必要がある。これらの問題は、リモート・フォスファーＬＥＤモジュールに限らず、例えば、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ ｏｎ ｂｏａｒｄ）形のＬＥＤを備えた広い面状発光部を有するＬＥＤモジュールにおいても共通の問題が生じる。

ここで、面状発光部１４は、蛍光体層１３の全ての面積で形成されることが発光効率を向上させることから好ましいが、例えば、蛍光体層１３をキャビティ１７の開口部に支持するために、キャビティの開口部に形成される縁部材で蛍光体層１３の外縁部が一部塞がれた場合には、塞がれた外縁部を除いた部分が面状発光部となる。換言すれば、蛍光体層１３から外方へ光が照射される部分が面状発光部１４であり、面状発光部の口径φ１を規定する（図１）。しかし、面状発光部は、その構成により発光する部分が明確に特定し難い構成も考えられ、その場合には蛍光体層１３の口径を面状発光部の口径φ１としても差し支えない。

そして、蛍光体層１３は、青色ＬＥＤチップ１２から放射される青色光を透過させるとともに、青色光を黄色蛍光体によって黄色光に変換する。透過した青色光と黄色光とが混光して、面状発光部１４から白色の光が放射される。この白色の光は、蛍光体層１３が円形の広い面状発光部１４を形成し、１／２ビーム角が１２０°のランバーシャン配光で放射される。

フレネルレンズ１６は、蛍光体層１３の円形の面状発光部１４から広角に放射される光をダウンライト形の照明器具等に適した配光角に制御するもので、合成樹脂、本実施形態では、口径φ２を有する透明な円形のアクリル樹脂板で構成する。なお、透明なガラスで構成してもよい。上記に構成されたフレネルレンズ１６は、発光モジュール１５に対向し、かつ所定の間隔ｈ１を有し、かつフレネルレンズ１６の中心ｏを発光モジュール１５の光軸ｘ−ｘ線に合致させて配置される。

ここで、フレネルレンズ１６の口径φ２は、レンズ作用をなす、のこぎり状の断面をもったレンズ部分の口径を意味する（図１）。しかし、フレネルレンズ１６は、その構成により外周部分がレンズ作用をなす部分か否かが明確に特定し難い構成も考えられ、その場合にはフレネルレンズ１６の外径をフレネルレンズ１６の口径φ２としても差し支えない。

また、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１は、フレネルレンズ１６の裏面側と面状発光部１４の表面（蛍光体層１３の表面）との間の間隔寸法を意味する（図１）。保持部１８は、キャビティ１７とともに、装置本体１９を構成するもので、発光モジュール１５からフレネルレンズ１６に向かう光路を形成するように、合成樹脂で内部を空間にした円錐台をなす形状を有し、一方の開口端側でフレネルレンズ１６を保持するとともに、他方の開口端側はキャビティ１７に接続される。なお、保持部１８は、フレネルレンズ１６を保持することができれば円筒状であってもよい。

そして、円形のフレネルレンズ１６の口径φ２は、蛍光体層１３の円形の面状発光部１４の口径φ１に対して１〜２．７倍を有するように構成する（φ２／φ１＝１〜２．７）。これにより、蛍光体層１３の円形の面状発光部１４から広角に放射される光を、フレネルレンズ１６の集光作用によって、ダウンライト形の照明器具等として必要な配光特性、本実施形態では、１／２ビーム角を約１００°〜約４５°の範囲に制御することが可能になった。

上記によりＬＥＤ１２を光源とした発光モジュール１５と、発光モジュールに対向して配置されたフレネルレンズ１６からなる照明装置１０が構成され、この照明装置は、ダウンライトやスポットライト等の照明器具の光源体として用いられる。

次に、上述した本実施形態における照明装置１０の配光特性を確認するためのシミュレーションを行った。このシミュレーションは、器具の小形化とグレアレスを達成しつつ、ダウンライト形の照明器具として必要な配光特性、すなわち、必要な配光角を作り出すことが可能かという点に注目し、器具の小形化を阻害しグレアの元となる反射板による配光制御を行わずに、フレネルレンズ１６の口径φ２のみを変更することによって行った。また、この種の照明装置は、蛍光体層１３における蛍光体の結合剤における光の吸収や反射によって輝度ムラが生じ易く、明るさに均一性を欠く問題があり、配光特性と同時に輝度均斉度と輝度分布にも着目してシミュレーションを行った。各シミュレーションにおける照明装置の構成を表１に示す。

シミュレーションＮｏ．１は、上述した本実施形態における構成の照明装置１０において、蛍光体層１３の面状発光部１４の口径φ１を約６０ｍｍ、フレネルレンズ１６の口径φ２を約６０ｍｍ、φ２／φ１＝１倍とし、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１を約１０ｍｍにして構成したものである。

シミュレーションＮｏ．２は、上述した本実施形態における構成の照明装置１０において、面状発光部１４の口径φ１を約６０ｍｍ、フレネルレンズ１６の口径φ２を約８０ｍｍ、φ２／φ１＝１．３倍とし、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１を約１３．６ｍｍにして構成したものである。

シミュレーションＮｏ．３は、上述した本実施形態における構成の照明装置１０において、面状発光部１４の口径φ１を約６０ｍｍ、フレネルレンズ１６の口径φ２を約１２０ｍｍ、φ２／φ１＝２倍とし、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１を約２０ｍｍにして構成したものである。

シミュレーションＮｏ．４は、上述した本実施形態における構成の照明装置１０において、面状発光部１４の口径φ１を約６０ｍｍとし、フレネルレンズ１６の口径φ２を約１６２ｍｍ、φ２／φ１＝２．７倍とし、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１を約２７ｍｍにして構成したものである。なお、上記に構成した各シミュレーションの照明装置は、ダウンライト形の照明器具の光源体として構成されたものであり、発光モジュール１５の光束は、１０００〜２０００ｌｍである。本シミュレーションでは、１０００ｌｍの発光モジュールを用いて構成した。

上記条件により、シミュレーションＮｏ．１〜４における配光特性を確認した。その結果が図３に示す配光曲線図である。図３（ａ）は、シミュレーションＮｏ．１における配光曲線図であり、１／２ビーム角が略１００°の配光特性を有している。また、図３（ｂ）は、シミュレーションＮｏ．２における配光曲線図であり、１／２ビーム角が略８０°の配光特性を有している。また、図３（ｃ）は、シミュレーションＮｏ．３における配光曲線図であり、１／２ビーム角が略６０°の配光特性を有している。また、図３（ｄ）は、シミュレーションＮｏ．４における配光曲線図であり、１／２ビーム角が略４５°の配光特性を有している。

この結果、配光制御手段としてフレネルレンズを用い、かつフレネルレンズの口径φ２を面状発光部の口径φ１の１〜２．７倍にすることにより、ダウンライト形の照明器具において必要な配光特性、すなわち、１／２ビーム角が約１００°〜４５°の範囲で十分に得られることが確認された(表１)。

次に、シミュレーションＮｏ．１〜４における輝度均斉度を確認した。その結果が図４に示すグラフである。このグラフは、フレネルレンズの口径φ２に対する光源径、すなわち、面状発光部の口径φ１の比率と、輝度均斉度（ｍｉｎ／ｍａｘ）との関係を表したグラフである。

このグラフによれば、光源径が略３７％、すなわち、φ２／φ１＝２．７倍（シミュレーションＮｏ．４）を境にして、光源径が略５０％（φ２／φ１＝２倍：シミュレーションＮｏ．３）、光源径が略７５％（φ２／φ１＝１．３倍：シミュレーションＮｏ．２）、光源径が略１００％（φ２／φ１＝１倍：シミュレーションＮｏ．１）で、輝度均斉度が０．５以上になることが判明した。輝度均斉度は、０．１以上であれば、一般的な照明器具において許容される範囲であり、０．５以上であれば、面光源となり十分に許容される範囲で、シミュレーションＮｏ．１〜４、すなわち、配光制御手段としてフレネルレンズを用い、かつフレネルレンズの口径φ２を面状発光部の口径φ１の１〜２．７倍にすることにより、照明器具として十分な輝度均斉度を有していることが確認された。

次に、シミュレーションＮｏ．１〜４における輝度分布を確認した。その結果が図５に示す輝度分布図である。この輝度分布図は、鉛直角０°方向から見た中心輝度と中心を囲む周囲における輝度分布の状態を示したものである。

この輝度分布図によれば、光源径が３７％、４６％、５６％、６５％、７４％の状態において、最も輝度の高い中心部分から、周囲に向けて徐々に輝度の低い部分が均等に分布していることが判明し、中心から周囲に向けた輝度が均等に分布されることが確認された。

また、特に、光源径が３７％、すなわち、φ２／φ１＝２．７倍（シミュレーションＮｏ．４）においては、最も輝度の高い（約４８００００Ｎｉｔ）中心部分の領域が狭く、周囲に向け輝度が徐々に均等に低くなっており、ダウンライト形の照明器具における直下の明るさを略均等に分布させることが可能であることが確認された。この結果、配光制御手段としてフレネルレンズを用い、かつフレネルレンズの口径φ２を面状発光部の口径φ１の１〜２．７倍にすることにより、照明器具として良好な輝度分布を有していることが確認された。

以上、シミュレーションの結果、本実施形態における照明装置１０によれば、面状発光部１４を用いた照明装置において、器具の小形化を阻害しグレアの元となる反射板を用いずに、フレネルレンズの口径のみを変更する簡易な手段によって、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能な照明装置を提供することが可能になった。換言すれば、器具の小形化とグレアレスを達成しつつ、目的とする配光特性を容易に作り出すことが可能になった。同時に、良好な輝度均斉度を有し、かつ輝度分布の良好な照明装置を提供することができ、周囲に向かって明るさの変化が少なく略均等の明るさにすることが可能な照明器具を提供することが可能になった。

本実施形態において、発光モジュール１５の面状発光部１４およびフレネルレンズ１６は、円形をなすように構成したが、円形に限らず正方形等の矩形状、六角形や八角形等の多角形状であっても、さらには楕円形状であってもよい。これら非円形をなす面状発光部１４およびフレネルレンズ１６における口径φ１、φ２は、次のようにして算出することが好ましい。すなわち、非円形の面積を、同一面積を有する円に換算し、換算した円の面積における直径を口径寸法φ１、φ２とすることにより設定される。

また、発光モジュール１５の面状発光部１４およびフレネルレンズ１６は、共に円形をなすように構成したが、それぞれを異なる形状に構成してもよい。例えば、面状発光部１４を円形にし、フレネルレンズ１６を正方形に形成してもよい。これによれば、例えば、テレビスタジオや劇場用のスポットライトの光源体として好適な照明装置を提供することが可能になる。

また、発光モジュール１５は、リモート・フォスファーＬＥＤモジュールで構成したが、ＣＯＢ形のＬＥＤモジュールで構成してもよい。すなわち、図６に示すように、基板１１としてセラミックス製の基板を用い、基板１１の表面に白色の合成樹脂を塗布することによって円形をなす土手部１１ａを形成し、浅い円形の収容凹部１１ｂを形成する。この収容凹部１１ｂの底面にスクリーン印刷によって配線パターンを形成し、配線パターンに対してＣＯＢ技術により複数の青色ＬＥＤチップ１２を略マトリックス状にボンディングして実装する。そして、基板１１の収容凹部１１ｂ内に、透明なシリコーン樹脂に黄色蛍光体を分散・混合した封止部材１１ｃを塗布または充填して蛍光体層１３を形成する。この構成によれば、土手部１１ａによって囲まれた蛍光体層１３によって面状発光部１４が形成され、蛍光体層全体から白色の光を放射させることが可能になる。

本例の場合、図６に示すように、蛍光体層１３の全体が面状発光部１４であり、面状発光部の口径φ１は、蛍光体層１３全体の口径を意味する。また、フレネルレンズ１６の口径φ２は、レンズ作用をなす、のこぎり状の断面をもったレンズ部分の口径を意味する。また、フレネルレンズ１６と発光モジュール１５との所定の間隔ｈ１は、フレネルレンズ１６の裏面側と面状発光部１４の表面（蛍光体層１３の表面）との間の間隔寸法を意味する。

さらに、本実施形態において、固体発光素子１２は、例えば、青色を発光する窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体からなるＬＥＤチップで構成されることが好適であるが、半導体レーザ、有機ＥＬなどを発光源とした固体発光素子が許容される。さらに、白色で発光するようにしたが、照明装置の用途に応じ、赤色、青色、緑色等でも、さらには各種の色を組み合わせて構成してもよい。

以上のように構成された本実施形態の照明装置１０は、ダウンライト形の照明器具の光源体として用いられる。ダウンライト形の照明器具２０は、図７に示すように、器具本体２１と、器具本体に内蔵され配設された上述の照明装置１０で構成される。

器具本体２１は、一端部に光源部２２を他端部に電源端子台２３を配設し、内部に電源部２４を収容するための両端が開放した円筒体をなす熱伝導性の良好なアルミニウムで構成する。また、器具本体２１は、円筒体内部の一端部の開口２１ａ側に位置して、仕切板２１ｂを一体に形成し、開口と仕切板との間に光源部２２を収納するための凹部からなる収納部２１ｃを一体に形成する。図７中、２１ｄは、収納部２１ｃの側壁周囲に貫通して形成された複数個の放熱孔である。

光源部２２は、上述した本実施形態の照明装置１０を内蔵することにより構成される。すなわち、発光モジュール１５のアルミニウムからなる基板１１の底面を仕切板２１ｂの表面に熱伝導性を有し電気絶縁性を有するシリコーン樹脂等からなる絶縁シート等を介して密着させ、ネジ等の固定手段により支持し、発光モジュール１５と仕切板２１ｂが熱的に連結され、光源部２２内に照明装置１０が収納され配設される。

さらに、フレネルレンズ１６を化粧枠２５に嵌合させて支持する。これにより、照明装置１０の光軸ｘ−ｘ線が、円筒体からなる器具本体２１の中心軸線ｙ−ｙ線に合致し、器具本体２１には全体として平面視で略円形の発光面を有する光源部２２が構成される。
電源部２４は、上述のように器具本体２１の光源部２２に収納された照明装置１０を点灯させるための点灯回路を有し、リード線により照明装置１０に配線接続され、電源端子台２３を介して１００Ｖの商用電源が供給される。

２６はダウンライトを天井等へ設置するための支持具で、ステンレスの板材をプレス加工して形成した略Ｌ字形の２枚の板バネからなり、Ｌ字の垂直部分を器具本体２１外側面に、径方向に対向して位置させて固定する。

上記により、一端部の光源部２２に本実施形態におけるＬＥＤ１２およびフレネルレンズ１６を有する照明装置１０が組み込まれ、他端部に電源端子台２３を配設し、内部に電源部２４を収容した、ダウンライト形の照明器具２０が構成される。このダウンライト形の照明器具２０は、配光制御を行うための反射板を用いていないため、より小型に構成することができる。同時に、グレアの少ないダウンライト形の照明器具が構成される。

上記構成のダウンライト形の照明器具は、被設置面である天井等に単体若しくは複数個を送り用ケーブルにより接続させて設置される。点灯されると、本実施形態の照明装置１０によって、上述したように、ダウンライトとして必要な配光特性、本実施形態においては、１／２ビーム角が約１００°〜約４５°の範囲で選択された配光特性、例えば、１／２ビーム角８０°を有し、かつ周囲に向かって明るさの変化が少なく略均等の明るさをもった照明を行うことができる。

また、発光モジュール１５の各ＬＥＤチップ１２から発生した熱は、発光モジュール１５のアルミニウム製の基板１１から仕切板２１ｂを介して面積の広いアルミニウムからなる器具本体２１に効果的に伝達され効率よく外部に放熱される。

また、異なる配光特性が必要なダウンライト形の照明器具を構成する場合には、発光モジュール１５はそのままにして、口径の異なるフレネルレンズ１６に交換することによって、１／２ビーム角が約１００°〜約４５°の範囲で選択された必要な配光特性を有するダウンライト形の照明器具を構成することができる。また、上述したように、本実施形態の照明装置１０によりダウンライト形の照明器具を構成したが、スポットライト等、住宅用、さらにはオフィス等施設、業務用などの各種の照明器具を構成してもよい。

また、図８に示すように、一般照明用の白熱電球に置き換え可能なＬＥＤを用いたＬＥＤ電球３０を構成してもよい。すなわち、ＬＥＤ電球３０は、本実施形態の照明装置１０を組み込んだ光源部３１と、点灯装置３２を収納したカバー部材３３と、口金３４で構成する。口金３４は一般照明用の白熱電球用のソケットに装着可能な、例えばＥ２６形口金で構成する。

このＬＥＤ電球３０によれば、光源部３１における発光モジュール１５は、そのままにしてフレネルレンズ１６の口径を変えるのみで、各種配光特性を有するＬＥＤ電球を提供することが可能になる。

なお、本実施形態の変形例を示す図６において、図１〜図５と同一部分に同一の符合を付し、詳細な説明は省略した。以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。

１０ 照明装置
１１ 基体としての基板
１２ 固体発光素子
１３ 蛍光体層
１４ 面状発光部
１５ 発光モジュール
１６ フレネルレンズ
２０ 照明器具
２１ 器具本体

Claims (2)

1. 基体に配設された固体発光素子と、固体発光素子の光の波長を変換する蛍光体層を有する面状発光部とを有する発光モジュールと；
   発光モジュールに対向し、かつ所定の間隔を有して配置され、面状発光部の口径に対して１〜２．７倍の口径を有するフレネルレンズと；
   を具備していることを特徴とする照明装置。
2. 器具本体と；
   器具本体に配設された請求項１に記載の照明装置と；
   を具備していることを特徴とする照明器具。

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