JP2012513083A - 照明器具において装飾的照明効果を生成する発光装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、側面発光源１０２と、少なくとも１つの光入力領域１０１ａ及び少なくとも１つの光出力領域１０１ｂを備える導光板１０１とを有する発光装置１００に関するものである。このような装置１００は、白熱光源を置換するために使用することができるか、又は種々の装飾的光きらめき効果を生成するように構成することができる。白熱光源のものに匹敵するような広い光強度分布を達成することができる。

Description

本発明は、側面発光源と、少なくとも１つの光入力領域及び少なくとも１つの光出力領域を備える導光板とを有する発光装置であって、上記導光板が該導光板の長軸に概ね垂直な方向に延在するように配置された発光装置に関する。

多くの用途において、例えば職業的又は家庭的設備においては魅力的且つ楽しい照明環境を形成することが望ましい。例えば、シャンデリアは、高度に装飾的であると思われる照明効果を発揮する。

シャンデリア及び他のタイプの照明器具は、典型的には、心地よく且つ装飾的な照明を達成するために通常の白熱光源を使用している。

白熱光源は、典型的には、フィラメントに該フィラメントを白熱させる電流を供給することにより電流を光に変換している。斯かるフィラメントは一般的にガラス電球の中心の近くに懸架され、これにより例えば部屋を照明するために使用し得る光の放射方向分布を形成する。

このような光の放射方向分布は望ましいが、白熱光源は短い寿命期間及び当該ガラス電球と接触する物体を燃やす潜在的危険性等の欠点を被る。ガラス電球は、一般的に、フィラメントの高温により非常に熱くなる。

白熱光源をＬＥＤ光源により置換することは、上述した問題を軽減又は除去し、大幅に効率を増加させる。

しかしながら、殆どのＬＥＤは光を半球（立体角２π sr）内にしか放出することができないところ、白熱するフィラメントを使用する白熱光源は一般的に全球（立体角４π sr）内に光を均一に放出する。

完全な円内の光の放出は、米国特許出願公開第2006/0076568号に記載されており、該文献は光をＬＥＤの側面に向け及び放出するための発光ダイオードパッケージ及びレンズに関するものである。

米国特許出願公開第2006/0076568号における装置の典型的な態様は、薄い導光板への光の導入を可能にする、かなり狭い光の強度プロファイルである。

しかしながら、透明な白熱光源を置換するためには、広い光強度分布を生じ得る発光装置に対する必要性が存在する。

また、職業的又は家庭的設備において種々の光学的（及び装飾的）効果を生成するように調整することが可能な装置に対する要望も存在する。例えば、幾つかの事例では滑らか且つ一様な光強度出力を達成することが望まれ得る一方、他の事例では"きらめく（sparkling）照明効果"を生成することが望まれ得る。

このような装置は、小型、効率的且つ製造が安価でなければならない。

本発明の１つの目的は、上述した要望を満足させると共に、楽しく且つ装飾的な照明環境をもたらし、且つ、上述した欠点を克服する発光装置を提供することにある。

本発明の上記及び他の目的は、添付請求項に記載された発光装置により達成される。

かくして、第１態様において、本発明は、
少なくとも１つの発光ダイオード及び該発光ダイオードから離隔されて配置された反射層を備える少なくとも１つの側面発光源と、
少なくとも１つの光入力領域及び少なくとも１つの光出力領域を備える導光板と、
を有する発光装置に関するものである。上記導光板は、該導光板の長軸に対して概ね垂直な方向に延在する。

上記導光板は、上記側面発光源が配置される凹部を有し、この凹部は前記光入力領域を形成する。

上記ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）により放出される光は当該光源の上記反射層に入射し、入射角に無関係に反射される。光は該光源を上記ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）の長軸に対して概ね垂直な方向に、即ち上記ＬＥＤと前記反射層との間の開部を介して出射する。

上記の放出された光は、上記導光板の少なくとも１つの光入力領域により受光される。

従って、上記光源により放出された光は上記導光板に上記光入力領域を介して入射し、全内部反射（ＴＩＲ）の原理により当該導光器を介して伝搬する。次いで、該光は上記導光板の少なくとも１つの光出力領域から抽出される。

上記導光板は、光源からの光の混合及びガイドの両方を行うためのみならず、抽出される光の強度（輝度）分布を整形するためにも使用される。

レンズ等の追加の光学系は必要とされないので、本発明の装置は小型となり、製造するのが安価となる。

本発明の装置において、光は前記光出力領域から、全視角に対して殆ど一定な広い強度分布で抽出される。該装置の周囲での上記強度分布は、白熱光源の周囲での光強度分布と実質的に同様となる。

従って、本発明の装置は、白熱光源を使用する照明器具への改良組み込み用として構成することができる。

実施例において、前記光源は発光ダイオード（又は複数の発光ダイオード）と前記反射層との間に配設される少なくとも１つの波長変換材料を更に有することができる。

かくして、光は上記光源を出射する前に波長変換を受ける。従って、光出力の色を、当該装置の寸法を増加させることなく、又は当該装置に外部構成要素を追加することなく、ユーザの要望通りに仕立てることができる。光出力の色の調整及び変化は、職業的又は家庭的設備においては高度に装飾的と考えることができる。

上記波長変換材料は、当該光に対して光が再分布されるような散乱効果を有し、これにより、前記光源の側縁からの光出力を増加させる。

本発明の実施例において、前記導光板は円形である。これらの実施例において、前記光出力領域は、光が完全な円の方向に抽出されるように、全円形プレートに沿って延在する。

従って、放出される光は、白熱光源の周囲の光強度分布と実質的に同様であるような、当該装置の周囲での空間強度分布を有する。かくして、本発明の装置は、白熱光源を置換するために、又はフィラメント電球、ハロゲン電球等の白熱光源用に通常使用される照明器具に取り付けるために有利に使用することができる。

滑らかな光強度パターンを得るために、前記凹部は、典型的には、前記導光板の中心に配置される。

好ましい実施例において、上記凹部は前記少なくとも１つの光源のものに本質的に合致する形状を有する。

この構成は、当該導光板への最適な光の導入効率を可能にする。光は当該導光板に前記光入力領域を介して効率的に入射され、当該装置からの光の出力は更に増加される。

上記凹部の形状及び寸法を変化させることにより、種々の装飾的照明効果を生成することができる。例えば、幾つかの事例においては滑らかで一様な光強度出力を生成することが望ましい一方、他の事例ではきらめく照明効果が望まれ得る。

他の実施例において、前記導光板の厚さは前記光入力領域に向かって先細りとされる。即ち、該導光板は上記光入力領域の近傍で薄く、前記光出力領域の近傍で厚くなる。この構成は、光強度プロファイルを整形するための更なる自由度を生じさせる。

当該導光板への光の導入を更に増加させるために、上記凹部（前記光入力領域を形成する）は、該導光板内の貫通孔とすることができる。

他の実施例において、当該発光装置は、前記光源から熱を移送除去するように構成されたヒートシンクを更に有する。このようにして、本発明の発光装置を相対的に冷たく維持し、接触により生じるユーザの火傷を防止することができる。更に、前記光源の寿命を、当該光源の部品における熱応力及び／又は歪の減少により増加させることができる。

当該装置から抽出される光の散乱を増加させるために、前記光出力領域は微細構造（microstructures）を有することができる。

第２態様においては、本発明は、上述したような発光装置を使用する照明器具に関するものである。

本発明の他の目的、フィーチャ及び利点は、後述する詳細な説明から、添付請求項から及び図面から明らかとなるであろう。

図１は、本発明による発光装置の断面図である。 図２は、本発明による発光装置を有する電球である。 図３は、本発明の一実施例による光源から放出される光の遠距離場角度光強度分布の例示的光強度プロファイルを示す。 図４は、本発明の他の実施例による光源から放出される光の遠距離場角度光強度分布の例示的光強度プロファイルを示す。

本発明による発光装置１００の一実施例が図１に示されている。

該装置１００は、少なくとも１つの発光ダイオード１０３及び該ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３から隔てて配置された反射層１０４を備える少なくとも１つの側面発光源１０２を有している。

更に、該装置は、少なくとも１つの光入力領域１０１ａ及び少なくとも１つの光出力領域１０１ｂを備える導光板１０１を有している。導光板１０１は、該導光板１０１の長軸に概ね垂直な方向に延在するように構成されている。

導光板１０１は、上記側面発光源１０２が配置される凹部を有し、該凹部が前記光入力領域１０１ａを形成している。

ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３により放出された光は、反射層１０４に入射し、該光は入射角に無関係に反射されるであろう。反射層１０４は典型的には本質的に不透明であり、該反射層１０４を介しては当該装置１００から実質的に光は出射することがない。代わりに、当該装置１００を出射する光は上記ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３と反射層１０４との間の開部において、即ち、ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３の長軸に概ね垂直な方向に、出射しなければならない。

反射層１０４は、該反射層に入射する光の少なくとも一部が反射されるように構成される。

該反射層は特定の材料に限定されるものではなく、例えばＡｇ又はＡｌのような金属等の如何なる材料を使用することもできる。

更に、反射層１０４は、当該装置１００における光の角度的再分布を生じさせる散乱性特徴構造を有することができ、これは光の抽出を増加させる。このような散乱性特徴構造は、例えばＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２又は多孔性ポリマの粒子とすることができる。

上記層１０４は、当該装置のきらめき効果を向上させるためのファセットを有することもできる。

側面発光源１０２は導光板１０１における凹部内に配設され、該凹部は前記光入力領域１０１ａを形成する。

ここで使用される場合、"光入力領域"なる用語は、当該導光板における、前記ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）により放出された光が該導光板により受光される領域又は表面を意味する。

従って、光源１０２から概ね垂直方向に放出された光は、導光板１０１の光入力領域１０１ａにより受光され、次いで、光の如何なる実質的な損失も無しに、当該導光板１０１内を伝搬する。通常、当該導光板に入射する前に上記光をコリメートする必要はない。一般的に、導光器は全内部反射（ＴＩＲ）の原理で動作し、これによれば、当該導光器を介して進行する光は、該導光器の表面において、該導光器の材料及び該導光器を直に囲む材料（例えば、空気、クラッディング等）の屈折率の差に基づいて反射される。光が表面に垂線に十分に近い角度で出逢う場合にのみ、光は当該導光器を出射する。

本発明において、光は前記少なくとも１つの光出力領域１０１ｂを介して当該導光板１０１を出射する（図１に矢印により示されている）。

ここで使用される場合、"光出力領域"なる用語は、当該導光板における該導光板から光が抽出される領域又は表面を意味する。

典型的には、導光板１０１は、ガラス又は例えばポリ（メチル・メタクリレート）若しくはポリカーボネイトのようなポリマ等の光学的に透明な又は半透明（translucent）な材料を有する。

"光学的に透明な"なる用語は、導光器が該導光器を介して通過する所望の波長の光を全く又は極僅かな量しか吸収しないことを意味する。透明な材料は透かして見ることができる、即ち透明な材料はクリアな画像を通過させる。

"光学的に半透明な"なる用語は、光を拡散的にのみ通過させる材料（即ち、該材料は画像をぼかせる）を指す。

そして、少なくとも１つの波長変換物質１０５が、前記ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３と反射層１０４との間に配設される。

光は前記光出力領域１０１ｂを全視角に対して殆ど一定な広い強度分布（配光）で出射する。当該装置１００の周りの該強度分布は、白熱光源の周りの光強度分布と実質的に同様である。

このように、本発明の装置は、白熱光源を使用する照明器具へ改良組み込みを行うように好適に構成される。

ここで使用される場合、"改良組み込み"なる用語は、フィラメント電球、ハロゲン電球等の白熱光源用に通常使用される照明器具に組み込むことを意味する。言い換えると、本発明による発光装置を、通常は白熱光源を使用する照明器具に改良組み込みするとは、当該照明器具内の白熱光源を本発明による発光装置により置き換えることを意味する。

本発明の実施例において、光源１０２は、発光ダイオード（又は複数の発光ダイオード）１０３と反射層１０４との間に配設された少なくとも１つの波長変換物質１０５を更に有する。

ここで使用される場合、"波長変換物質"なる用語は、第１波長の光を吸収し、結果として第２の一層長い波長の光を放出する材料を指す。光を吸収すると、該物質中の電子は、より高いエネルギレベルに励起された状態となる。該より高いエネルギレベルから緩和して戻ると、余分なエネルギは該物質から、吸収されたものより長い波長を持つ光の形で解放される。従って、該用語は、蛍光及び燐光波長変換の両者に関係するものである。

本装置においては、例えばＹＡＧ：Ｃｅのような蛍光体粒子等の如何なるタイプの波長変換物質を使用することもできる。

光源１０２に波長変換物質１０５を使用することにより、光出力の色を、当該装置の大きさを増加させずに又は当該装置に外部構成要素を追加せずに、ユーザの要望に調整することができる。このことは、職業的又は家庭的設備において装飾的と見なすこともできる。

更に、波長変換物質１０５は当該光に対して散乱効果を発揮することができ、これにより、該光を再分布させると共に光源１０２の側縁からの光出力を増加させる。

"発光ダイオード（又は複数の発光ダイオード）と反射層との間に配設される"なる用語は、波長変換物質１０５がＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３と反射層１０４との間に挟まれることを意味する。しかしながら、該用語は、ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）１０３及び反射層１０４が前記少なくとも１つの発光ダイオードにより放出される光に対する導波領域（図示略）を画定し、該波長変換物質１０５を斯様な導波領域の側縁に配設し得ることも意味することができる。

実施例において、当該導光板１０１は円形である。この構成は、光が完全な球（立体角４π sr）へと実質的に均一に放出されるのを可能にする。

円形の導光板の使用は、光の強度分布が従来の白熱フィラメントの如くに見えるように整形されるのを可能にする。

このように、本発明の装置１００は、白熱光源を置換するために、又はフィラメント電球、ハロゲン電球等の白熱光源用に通常は使用される照明器具へ組み込むために有利に使用される。

図２には、透明なガラス外囲体（エンベロープ）２０１を有する電球２００が図示されている。外囲体２０１内には、本発明による発光装置２０２が配置されている。発光装置２０２は、白熱するフィラメント等の白熱光源に類似した空間強度分布を持つ光を放出することができる。該電球２００は、発光装置２０２が配置されるか又は結合される口金２０３を更に有することができる。口金２０３は典型的には電気コネクタを有し、該電気コネクタは、フィラメント電球等の白熱光源を使用する電球のソケットコネクタに結合することができるように構成されている。

本発明の円形の導光板は、平らであるか、又は上方又は下方に向かって湾曲されたものとすることができる。例えば、該導光板は、当該ＬＥＤ（又は複数のＬＥＤ）を経る軸の周りで、且つ、該ＬＥＤの軸に垂直な放物形状を有することができる。

他の例として、当該導光板は正多角形に、即ち等角且つ等辺な多角形に成形することができる。これにより、導光板１０１の光出力領域１０１ｂにファセットが形成され、これらファセットは、"当該電球の周りを歩く"場合にさえ、当該装置のきらめき効果を生成又は向上させることができる。前述したように、前記側面発光源１０２は導光板１０１の凹部内に配設され、この凹部が前記少なくとも１つの光入力領域１０１ａを形成する。

上記凹部は、好ましくは、導光板１０１の中心に配置される。これにより、滑らかな光強度パターンが達成される。

上記凹部は、円柱、正方形、多角形の形状等の多数の形状で存在し得る。

所望の光分布効果に依存して、光入力領域１０１ａを形成する上記凹部の例えば長さ、直径、深さ等のパラメータを変化させることもできる。更に、当該導光板の長さ、厚さ、対称性等の寸法も変化させることができる。

導光板１０１及び上記凹部の特性を調整することにより、多数の特有の三次元光強度プロファイルを達成することができる。

凹部１０１ａが前記少なくとも１つの光源１０３のものに本質的に合致する形状を有する場合に、最良の結果が達成される。例えば、当該光源が円柱状であるなら、上記凹部は好ましくは円柱又は多角形の形状を有し、正方形の形状の凹部は、好ましくは、正方形の形状の光源を収容する。このようにして、導光板１０１への最適な光導入効率が達成される。光は前記光入力領域１０１ａを介して導光板１０１に効率的に入力され、当該装置１００からの光の出力が更に増加される。

本発明の実施例において、導光板１０１の厚さは、光入力領域１０１ａに向かって先細りとされる。

このような実施例において、導光板１０１は光入力領域１０１ａの近傍では一層薄くなり、光出力領域１０１ｂの近傍では一層厚くなる。この構成は、光強度分布を整形するための更なる自由度を作り出す。

導光板１０１は、白熱電球の通常のフィラメントを模擬するために僅かに変形させることもできる。

前記凹部及び導光板の形状を及び寸法を各々変化させることにより、多数の光強度プロファイル及び装飾的照明効果を達成することができる。

図３は、本発明による発光装置を離れる光のｘｚ面上へ投射された遠距離場角度光強度分布Ｉ(θ,φ)の例示的な光強度プロファイルを示し、ここで、θはｚ軸からの極角であり、φはｘｙ面におけるｘ軸からの方位座標である。完全な三次元強度は、ｚ軸の周りの回転面である（この例の場合、ｚ軸の周りの円環面を生成する）。

図３に示された光強度プロファイルは、本発明の一実施例を、照明アプリケーションソフトウェア製品"Light Tools（登録商標）"バージョン6.1.0を用いてモデル化することにより作成されたものである。本発明の特定の実施例に関連する、添付図面に提示された如何なる他の光輝度プロファイルも、特に言及しない限り同様の方法で作成されたものであると理解されたい。

図３に示された滑らかで一様な光輝度プロファイルは、従来の白熱電球を直接置換する目的に適している。

図４は、きらめき光効果が望まれる場合に適した光強度プロファイルを図示している。

従って、導光板１０１及び前記凹部の特性の調整は、各々が一般的に特定のユーザの要求及び／又は照明環境要件に従って異なる光強度特性を持つ、非常に多様な発光装置が製造されるのを可能にする。

本発明の実施例において、前記凹部は導光板１０１における貫通孔である（図１に示される）。この構成は、導光板１０１への光の導入の増加を可能にする。

他の実施例において、当該発光装置１００は前記光源１０２から熱を移送除去するように構成されたヒートシンク１０６を更に有する。このように、本発明の発光装置１００は、接触に起因するユーザの火傷を防止するために相対的に冷たく維持することができる。更に、光源１０２の寿命を、当該光源部品におけるより少ない熱応力及び／又は歪により増加させることができる。

実施例において、前記光出力領域１０１ｂは微細構造（microstructures）を有する。従って、当該導光板から抽出される光は、装置１００の光出力領域１０１ｂを出射する際に、散乱を受ける。

本発明は、特定のタイプの微細構造に限定されるものではなく、例えばフォログラフ構造等の如何なるタイプの微細構造も、出力光の散乱を増加させるために使用することができる。

これらの構造は、高度に装飾的と考えられ得る当該発光装置のきらめき効果を更に増加させることができる。

更に、導光板１０１は、所要の強度プロファイルに調整するために、切り込み（ノッチ）を有することができる。斯様なノッチは、前記導光板における光入力領域から光出力領域まで延びる領域に配設することができる。

他の実施例において、当該装置は、導光板１０１が上に配置される反射層（図示略）を更に有する。即ち、反射層を前記ヒートシンク１０６と導光板１０１との間に挟むことができる。このような反射層は、下方に放出された光を反射して、光の損失を防止し、これにより当該装置１００からの光の抽出を増加させるであろう。

更に、好ましくは鏡面的に反射性の追加の反射層の使用は、吸収により光の損失を生じ得る、前記ヒートシンクと導光板との間の光学的接触を防止する。

本発明の実施例において、複数の光源１０２を導光板１０１の別個の凹部に配置することができる。この場合、動的且つ連続的なきらめき効果を達成することができる。異なる色の複数のＬＥＤも使用することができ、この構成は、装飾的照明効果を更に一層増加させ得る。

本発明は、上述した発光装置１００を有する照明器具にも関するものである。

更に、本発明は、発光装置の使用及び斯かる発光装置を製造する方法にも関するものである。

以上、本発明を幾つかの実施例を参照して主に説明したが、当業者によれば容易に理解されるように、上述したもの以外の他の実施例も、添付請求項に記載した本発明の範囲内で等しく可能である。例えば、本発明は特定の数の光源又は発光ダイオードに限定されるものではない。また、特定のタイプの発光ダイオード、波長変換物質又は反射材料に限定されるものでもなく、如何なる斯様な物質又は斯かる物質の組み合わせも使用することができる。

結論として、本発明は、白熱光源を置換するために又は通常は白熱光源用に使用される照明器具に組み込むために使用され得ると共に、種々の装飾的光きらめき効果を生成するようにも構成され得る発光装置に関するものである。上記光源は、側面発光源と、少なくとも１つの光入力領域及び少なくとも１つの光出力領域を備える導光器とを有する。該光源は、上記導光板の凹部内に配設され、該凹部は上記少なくとも１つの光入力領域を形成する。本発明の発光装置は、光を全球へ（４π sr）実質的に均一に放出することが可能であり、非常にコンパクトな設計が達成される。本発明の装置は、広い光の強度分布が、達成され、且つ、白熱光源の周囲の光強度分布に合致するのを可能にする。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの発光ダイオード及び該発光ダイオードから離隔されて配置された反射層を備える少なくとも１つの側面発光源と、
   少なくとも１つの光入力領域及び少なくとも１つの光出力領域を備える導光板であって、該導光板の長軸に概ね垂直な方向に延在する導光板と、
   を有する発光装置であって、
   前記導光板が、前記側面発光源が配設されると共に前記光入力領域を形成する凹部を有する、
   発光装置。
2. 白熱光源を使用する照明器具に改良組み込みされる、請求項１に記載の発光装置。
3. 前記光源が前記発光ダイオードと前記反射層との間に配置された少なくとも１つの波長変換物質を更に有する請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
4. 前記導光板が円形である請求項１ないし３の何れか一項に記載の発光装置。
5. 前記凹部が前記導光板の中心にある請求項１ないし４の何れか一項に記載の発光装置。
6. 前記凹部が前記少なくとも１つの光源の形状に本質的に合致する形状を有する請求項１ないし５の何れか一項に記載の発光装置。
7. 前記導光板の厚さが、前記光入力領域に向かって先細りにされた請求項１ないし６の何れか一項に記載の発光装置。
8. 前記凹部が前記導光板における貫通孔である請求項１ないし７の何れか一項に記載の発光装置。
9. 前記光源から熱を移送除去するヒートシンクを更に有する請求項１ないし８の何れか一項に記載の発光装置。
10. 前記光出力領域が微細構造を有する請求項１ないし９の何れか一項に記載の発光装置。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項に記載の発光装置を有する電球。
12. ガラス外囲体と、白熱光源を改良置換するための電気コネクタを備える口金とを有する請求項１１に記載の電球。
13. 請求項１ないし１２の何れか一項に記載の発光装置又は電球を有する照明器具。

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