JP2012119154A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】側面あるいは背面方向まで光を照射させることができるとともに製造が容易な照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、前面平坦部２ａを有する基材２と、可視光線を放出する光源６と、前記光源の少なくとも前面を覆い、光源から放出された光を外部に放出する透光領域を有する透光カバー４と、前記光源と前記透光領域との間に設けられた光学制御部材２０と、を備えている。光源は基材の前面平坦部に配置され、光源から放出される光の光度は、前面平坦部の法線方向で強く、前面平坦部の側面方向より背面側で零となる指向性を有し、光学制御部材は、光源からの光を一部反射し、一部透過するとともに、光学制御部材の径は透光領域の背面側端部最小径よりも大きい。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、白色ＬＥＤのように平面実装された狭い配光分布を持つ光源を用いた照明装置に関する。

照明装置としては、フィラメントの熱による発光を利用した白熱電球や、紫外線励起の蛍光体発光による蛍光灯が広く用いられてきたが、短い寿命、赤外線放出（紫外線放出）、水銀使用問題、発光効率などの問題を抱えていた。

近年、これらの問題を解消する技術として、ＬＥＤ光源やＥＬ光源が開発され、特にＬＥＤ光源は一般の照明装置への利用が加速度的に広がっている。

しかしながら、一般的な表面実装タイプのＬＥＤ光源は、実装基板の法線方向に強く光を放出し、実装基板の法線方向とのなす角度をθとするとき、ｃｏｓθに比例して光度が減衰する指向性を有している。これは、一般的なＬＥＤ光源の構造が、１次光線を放出するＬＥＤチップを、１次光線から２次光線に変換する蛍光体を含んだ保護層で面状に覆った構成としているためである。このため、電球や蛍光灯にＬＥＤ光源を用いた照明装置は、実装基板の法線方向の光が強く、実装基板の側方から背面方向にかけては光がほとんど出ない光度分布となる。従って、正面から背面までほぼ均一な光度分布をもつ従来の白熱電球あるいは蛍光灯と、ＬＥＤ光源を用いた照明装置とを置き換えた場合、天井や壁の明るさが著しく変わってしまい、違った照度空間となってしまう。

ＬＥＤ光源を用いた照明装置で背面方向まで光を放出する技術としては、ＬＥＤを実装する平面を多面体にして側面や背面方向を向いて配置する技術がある。また、別の技術として、ＬＥＤ光源の光により励起する蛍光体を透光カバーの内面に塗布し、透光カバー自体が光るようにした照明装置がある。

特許第４０７６３２９号公報 特許第４２９０８８７号公報 特開２０１０−２７２８２号公報 特開２００５−０５５４６号公報

ＬＥＤ光源を側面あるいは背面に向けて実装した場合、照明装置の製造組立が煩雑になるとともに、機械強度や放熱性の設計困難さが増大してしまう問題がある。また、透光カバーに蛍光体を塗布した場合も、同様に照明装置の製造組立が煩雑になる問題がある。
また、特に、ＬＥＤを用いた電球型の照明装置では、ＬＥＤ光源を駆動し、発生した熱を伝達放熱するために基材部分を大きくする必要があり、この基材の大きさが背面方向への光照射を妨げている。

この発明は以上の点を鑑みてなされたもので、その課題は、側面あるいは背面方向まで光を照射させることができるとともに製造が容易な照明装置を提供することにある。

実施形態によれば、照明装置は、基材と、可視光線を放出する光源と、前記光源の少なくとも前面を覆い、光源から放出された光を外部に放出する透光領域を有する透光カバーと、前記光源と前記透光領域との間に設けられた光学制御部材と、を備え、前記光源は前記基材の前面平坦部に配置され、前記光源から放出される光の光度は、前記前面平坦部の法線方向で強く、背面側で零となる指向性を有し、前記光学制御部材は、前記光源からの光を一部反射し、一部透過するとともに、前記光学制御部材の径は前記透光領域の背面側端部最小径よりも大きい。

図１は、第１の実施形態に係る電球型の照明装置を示す断面図。 図２は、第１の実施形態に係る蛍光灯型の照明装置を示す断面図。 図３は、ＬＥＤ光源を拡大して示す断面図。 図４は、変形例に係る蛍光灯型の照明装置を示す断面図。 図５は、ＬＥＤ光源の法線方向に対する配光角度と光度との関係を示す図。 図６は、第２変形例に係る電球型の照明装置を示す断面図。 図７は、第３変形例に係る電球型の照明装置を示す断面図。 図８は、光学制御部材の固定構造の一例を示す断面図。 図９は、光学制御部材の固定形態の他の例を示す断面図。 図１０は、光学制御部材の固定形態の更に他の例を示す断面図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る照明装置について詳細に説明する。
図１は、実施形態に係る電球型の照明装置としてＬＥＤ電球１を示し、図２は、実施形態に係る蛍光灯型の照明装置としてＬＥＤ蛍光灯１１の断面を示している。ＬＥＤ電球１は、中心軸に対して回転対象の形状を有し、ＬＥＤ蛍光灯１１は、図示の断面を直線状あるいは曲線状に引き伸ばした立体形状をしている。

ＬＥＤ電球１およびＬＥＤ蛍光灯１１は、前面平坦部２ａを有する基材２と、基板５に実装されたＬＥＤから成る光源６と、透光カバーとして機能するグローブ４と、を備えている。ＬＥＤ電球１では、基材２は、例えば、切頭円錐形状に形成され、大径側の端が前面平坦部２ａを形成している。基材２は、これに限らず、円柱形状あるいは断面半円形状に形成してもよい。ＬＥＤ蛍光灯１１では、基材２は、断面がほぼ半円状に形成され、その上端が前面平坦部２ａを形成している。光源６が実装された基板５およびグローブ４は、基材２の前面平坦部２ａ上に支持されている。
図３に示すように、光源６は、基板５に実装されて青色光を放出する多数のＬＥＤチップ６ａと、ＬＥＤチップ６ａを保護する封止樹脂６ｃと、封止樹脂６ｃに分散されて青色光により緑色光および赤色光を変換放出する蛍光体６ｂとを有している。光源６は、その前面方向に可視光を放出する。図１および図２に示すように、光源６から放出される光は、前面平坦部２ａの法線方向（前面方向）Ａに強く光を放出し、法線方向となす角度をθとするときｃｏｓθに比例して光度が減衰し、法線方向と逆方向（背面方向）側へは基板５が遮蔽壁となるため光が放出されない配光特性を有している。なお、ここでは複数のＬＥＤチップ６ａを搭載した光源６を示したが、ＬＥＤチップは１つでもよい。

ＬＥＤ電球１では、基材２の背面側端に、電源供給側の端子である口金３が取付けられている。基材２の内部に、光源６を駆動する駆動回路７が設けられている。口金３から駆動回路７に電力が供給され、この駆動回路７により光源６を点灯する。基材２は光源６で発生する熱を逃がす役割も有し、例えば、熱容量の大きい金属材料で構成されている。

ＬＥＤ蛍光灯１１では、駆動回路が照明装置とは別に設けられている。そのため、基材２はアルミニウム製の基板５と兼用の一体部材として構成してもよい。ＬＥＤ蛍光灯１１は、図２に示す断面を１．２ｍ程度に引き伸ばした形状を有している。光源６は、図３に示したＬＥＤ光源を、基材２の前面平坦部２ａ上に直線状に複数並べて構成されている。

グローブ４は、例えば、断面がほぼ円形状で下部に開口端４ａを有する形状に形成されている。ＬＥＤ電球１のグローブ４は、ほぼ球形状に形成され、また、ＬＥＤ蛍光灯１１のグローブ４は、断面がほぼ円形の細長い筒状に形成されている。基材２の前面平坦部２ａは、グローブ４の開口端４ａの径あるいは幅とほぼ等しい径あるいは幅に形成されている。グローブ４は、その開口端４ａが前面平坦部２ａ上に固定された状態で、基材２に支持されている。

グローブ４は、その断面の中間部分が外側に膨らんだ形状を有している。すなわち、グローブ４は、基材２の前面平坦部２ａに固定されている開口端４ａの径あるいは幅よりも大きい径あるいは幅に形成された最大径部４ｂあるいは最大幅部４ｂを有する形状に形成されている。グローブ４の開口端４ａは、グローブ４の背面側端部であり、その径あるいは幅は、グローブの中で最小となっている。

これにより、グローブ４は、光源６の前面側および側面側を覆っている。なお、実施形態において、前面平坦部２ａに垂直な上方向（法線方向）を前面方向Ａ、前面平坦部２ａと平行な方向を側面方向、前面平坦部２ａに垂直な下方向を背面方向としている。

グローブ４は、例えば、厚さ１．５ｍｍに形成されている。グローブ４は、光源６の少なくとも前面を覆い光源６から放出された光を外部に放出する透光領域を有している。本実施形態において、グローブ４は、その全域が光を透過可能な透光領域を形成している。グローブ４は、透過率が８５％となる樹脂材料で形成されており、その透過率はグローブ４の全域でほぼ均一である。グローブ４は、最大径部４ｂあるいは最大幅部４ｂを境に、前面方向および側面方向を向いた前面側透光領域８ａと外向き法線方向が側面方向および背面方向を向いた背面側透光領域８ｂとを有している。

図１および図２に示すように、ＬＥＤ電球１およびＬＥＤ蛍光灯１１は、光源６とグローブ４の内面との間に設けられた光学制御部材２０を備えている。光学制御部材２０は、グローブ４の開口端４ａの径あるいは幅よりも大きく、グローブ４の最大径部４ｂあるいは最大幅部４ｂよりも小さいサイズの径を有している。

光学制御部材２０は、例えば、その周縁部がグローブ４の壁部に支持されている。また、光学制御部材２０は、その支持部を除いて、グローブ４の内面から１ｍｍ以上の間隔を置いて配置されている。

光学制御部材２０は、厚さ０．３mmのポリカーボネート材からなる曲面成型された透明あるいは半透明のベースシート２２と、ベースシート２２の表面に形成された透過反射層２４とを有している。透過反射層２４はベースシート２２の光源側に形成しているが、特に決めているものではなく、ベースシートのグローブ４側の表面のどちら側に形成しても良く、またその両側に形成しても良い。

ベースシート２２は真空成型、圧空成型、など既存の成型法によりその形状が形成される。成型は透過反射層２４の形成前、形成後どちらでも可能であるが、形状が複雑な場合は透過反射層２４の印刷後に形成するプロセスが簡便である。ベースシート２２の材料は透過率の高さを重視し、ポリカーボネート(ＰＣ)、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）もしくは環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）が望ましい。ベースシート２２は必要に応じて散乱粒子を含めることで、透過光の拡散性を上げることができ、照明装置全体の輝度ムラ、配光分布のばらつきを低減することができる。

ベースシート２２の厚さは汎用で調達できる０．１〜１．０ｍｍ程度が望ましく、成型の伸びや透過反射層の加工し易さに応じて適時選択可能である。また、ベースシートとして半透明シートを用いてもよいが、本実施形態のように印刷により透過反射層２４を形成することで、領域ごとの透過反射特性を任意に制御することができ、照明装置の光度分布を均一にする制御手段とすることができる。

光学制御部材２０の透過反射層２４は、光源６の前面に対向する領域を低透過率となるパターンで形成し、光源６の側面に対向する領域に高透過率部２０ａを設けている。透過率は、透過反射層２４の反射部印刷パターンの面積占有率で制御し、高透過率部２０ａでは反射部面積占有率が低く光が透過し易いパターンとしている。高透過率部２０ａに隣接する領域では徐々に反射部の面積占有率を上げていき、透過率変化の境界がわかりにくくしている（図示せず）。

なお、光学制御部材２０は光源６の前面に対向する位置のみに配置してもよいが、本実施形態のように光源６の側面に対向する位置にも光学制御部材２０を配置することで、光学制御部材の縁の境界が外から視認されることを防ぐことができる。

上記のように構成された照明装置によれば、光源６から出た光は主に光源６の前面に対向する透過反射層２４に達し、一部は透過反射層２４の面法線方向内向きを主軸として反射拡散し、主に高透過率部２０ａを透過して光源６の側面および背面側へ光が放出される。これにより照明装置から放出される配光分布が変換され、最終的に従来構成では放出されない側面から背面にかけての方位に光を強く放出することができる。また、この配光分布は、光学制御部材２０の形状と透過反射層２４の透過率分布パターンを適切に制御することで所望の配光分布を達成することができ、その用途は広配光に限るものではない。

透過反射層２４は光源６の光を受けてあたかも第２の面光源のように振舞う。このため、通常は光源６がグローブ４を透かして眩しく見えてしまうのに対し、本実施形態では、実際に光る領域は透過反射層２４の広い面積に拡がるため、眩しさを緩和することができる。この作用は、光源６の前面に対向する面積を広く確保することでより顕著に引き出すことができる。

なお、第１の実施形態では、光学制御部材２０を上下２枚の部材で構成していたが、光学制御部材２０は図４に示す変形例のように、前面側の１枚だけで構成してもよい。この場合、光学制御部材２０の周辺部では徐々に透過反射層２４の透過率を高くしていくと光学制御部材２０の縁が外から視認されにくくなる。このような構成にすることで、若干配光分布の制御できない領域が発生するが、部品点数を削減することができ製造コストを低減することができる。

光源６とグローブ４との間に、グローブ４の開口端４ａの径あるいは幅より大きく、グローブ４の最大径部４ｂあるいは最大幅部４ｂより小さいサイズの径をもつ光学制御部材２０を設置した第１の実施形態および変形例によれば、光度が半減する配光角範囲である半値配光角で３００度以上の配光特性を示す事が見出されており、従来の白熱電球とほぼ同等の配光特性の確保が可能なＬＥＤ照明装置が得られる。

図５は、ＬＥＤ電球１において、光学制御部材２０の径を小、中、大の３水準に変化させた場合の配光分布を示している。縦軸は光度、横軸は前面平坦部２ａの法線方向を０度とする方位角度である。「小」は、光学制御部材２０の径をグローブ４の開口端４ａと同じサイズとしたものであり、「大」は、光学制御部材２０の径をグローブ４の最大径部４ｂと同じサイズにしたもの、「中」は、「小」と「大」の中間サイズにしたものである。

半値配光角の目標は白熱電球同等である３００度以上を目標としているが、図５より、光学制御部材２０の径をグローブ４の開口端４ａの径より張り出すように大きくすることで配光角が目標を超えて広がっていく事が判る。特に、従来の白熱電球と同等レベルとなる半値配光角３００度以上となるのは、開口端４ａより径が大きい「中」と「大」である。これは、光学制御部材２０の径を大きくとることで、光学制御部材２０が光源６の前面に対向し主に側面および背面側に反射する領域を大きくするとともに、光源の側面側に対向する高透過率領部２０ａから照明装置の側面および背面方向に放出される光を増やすことができるためである。

よって、グローブ４の形状が大きければ大きい程、光学制御部材２０の径も大きくすることができるため、半値配光角をより広くすることができるが、通常は、照明器具の大きさに制約があるため、ある範囲内で最適化を図ることになる。

図６および図７は、第２変形例に係るＬＥＤ電球１を示し、図７は、第３変形例に係るＬＥＤ電球１を示している。これらの第２、第３変形例では、光学制御部材２０の径を「大」とし、光学制御部材２０の形状を変えた構成としている。

図６に示す第２変形例では、グローブ４の前面側透光領域８ａの球面形状に合わせて、光学制御部材２０を球面形状としている。図７に示す第３変形例では、光学制御部材２０を、第２変形例よりも扁平な形状としている。これら図６および図７より、配光特性および光利用効率は、僅かではあるいが、光学制御部材２０を扁平とした方が良くなっていることが判る。これより、光学制御部材２０の形状は、グローブ４よりも扁平にすることが望ましい。

なお、前述した実施形態では、光学制御部材２０を上下２部材で構成している。これは光学制御部材２０の縁で生じる輝度境界を生じないように全方位に透過率制御を行うにあたり、量産性に優れた真空成型プロセスで光学制御部材２０を成型しているため、グローブ４のような膨らんだ形状を１部材で成型できず、やむなく２部材を組み合わせているに過ぎない。光学制御部材２０の縁で生じる輝度境界を無視すれば上側の１部材のみで構成してもよいし、圧空成型のような別のプロセスを用いて膨らんだ形状の光学部材自体を１部材で形成してもよい。

また、グローブ４についても、量産性に優れた射出成型プロセスを用いる場合、同様に、膨らんだ形状のグローブを１部材で成型できないため、最大径部分で上下２分割された２部材で形成し、これらを接合する必要が生じる。このような場合、グローブ４の接合部である最大径部領域で、光学制御部材２０も同時に接着固定することで、光学制御部材２０を位置固定することができる。

図８は、光学制御部材２０の固定構造の一例を示している。光学制御部材２０は、前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄの２部材に分割されている。前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄは、その周縁部からそれぞれ突出した複数、例えば、４つの固定部２０ｂを一体に有している。これらの固定部２０ｂは、光学制御部材２０の円周方向に等間隔を置いて設けられている。そして、固定部２０ｂは、グローブ４の接合部に設けた溝２６へ嵌め込まれている。

固定部２０ｂは、外観上視認されないことが望ましく、確実に固定できる最小サイズとすればよく、実施形態では幅３ｍｍ、突出量２ｍｍとしている。

また、光学制御部材２０の透過反射層２４を徐々に透明にして全方位に対して均一の光度とした場合、透過反射層２４はパターン形成が必要となる。この場合、透過反射層２４のパターンがグローブ４を通して視認されにくくするため、光学制御部材２０とグローブ４との間に隙間を設けることが有効である。具体的には、透過反射層２４の透過率パターンが１ｍｍ程度のピッチのドットあるいはホールで透過率制御している場合、パターンピッチと同等以上の１ｍｍ以上の隙間を光学制御部材２０とグローブ４との間に設けることで、透過率パターンが視認されなくなる。

図９は、光学制御部材２０の他の固定形態を示している。
光学制御部材２０は、それぞれベースシート２２とその表面上に形成された透過反射層２４とを有する前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄを備えている。これら前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄは、グローブ４の前面側透光領域８ａと一体に形成している。具体的には、グローブ４の前面側透光領域８ａを射出成型するときに、あらかじめ曲面成型しておいた前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄを仕込んでおいて、前面側透光領域８ａをインサート射出成型している。実施形態では剥がれ防止のために、前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄの周縁部から突出する複数の固定部２０ｂを設け、これらの固定部２０ｂをグローブ４に食い込ませた状態で成型している。前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄとグローブ４との密着が良好であれば、固定部１０ｂを削除してもよい。
これにより、光学制御部材２０の取り付けをグローブ４の成型と同時に行うことができ、組立コストを低減することができる。

図１０は、光学制御部材２０の更に他の固定形態を示している。
この形態では、グローブ４の前面側透光領域８ａおよび背面側透光領域８ｂの内面に、直接、透過反射層２４を印刷して前面側光学制御部材２０ｃおよび背面側光学制御部材２０ｄとしたものである。印刷は、曲面に対応できるパッド印刷を用いている。
上記構成によれば、光学制御部材２０とグローブ４とを一体ものとし、組立コストを低減することができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…ＬＥＤ電球、２…基材、２ａ…前面平坦部、３…口金、４…グローブ、
４ａ…開口端、４ｂ…最大径部、最大幅部、５…ＬＥＤ基板、６…光源、
７…駆動回路、８ａ…前面側透光領域、８ｂ…背面側透光領域、１１…ＬＥＤ蛍光灯、
２０…光学制御部材、２０ｂ…固定部、２０ｃ…前面側光学制御部材、
２０ｄ…背面側光学制御部材、２２…ベースシート、２４…透過反射層

Claims (10)

1. 基材と、可視光線を放出する光源と、前記光源の少なくとも前面を覆い、光源から放出された光を外部に放出する透光領域を有する透光カバーと、前記光源と前記透光領域との間に設けられた光学制御部材と、を備え、
   前記光源は前記基材の前面平坦部に配置され、前記光源から放出される光の光度は、前記前面平坦部の法線方向で強く、背面側で零となる指向性を有し、
   前記光学制御部材は、前記光源からの光を一部反射し、一部透過するとともに、前記光学制御部材の径は前記透光領域の背面側端部最小径よりも大きい照明装置。
2. 前記光学制御部材は、領域ごとに変化する反射透過特性を有し、前記光学制御部材は、前記光源の前面に対向する前面側領域と、前記前面側領域以外の他の領域とを有し、前記他の領域の透過率は、前記前面側領域の透過率よりも高い請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学制御部材と前記透光カバーとの間に１ｍｍ以上の隙間がある請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記光学制御部材は、前記透光カバーよりも扁平に形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光学制御部材は、少なくとも２部材で構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光学制御部材は、前記透光カバーに固定された固定部を有している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記透光カバーは２部材以上を接合して構成され、前記透光カバーの接合部分に前記固定部が固定されている請求項６に記載の照明装置。
8. 前記光学制御部材は、前記透光カバーと一体に形成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 白熱電球を模擬したＬＥＤ光源を有する電球型の照明装置である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 蛍光灯を模擬したＬＥＤ光源を有する蛍光灯型の照明装置である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。

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