JP2013033647A - 発光装置および照明装置 - Google Patents

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、光源としての発光ダイオード１２と、光透過性材料により形成された涙滴状透明体２０とを備える。涙滴状透明体２０は、発光ダイオード１２から出射された光が入射される底面部２０ｂと、底面部２０ｂから入射した光を全反射するよう形成された側面部２０ｃと、側面部２０ｃにて全反射した光が結像する先端部２０ａとを備える。
【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（ＬＥＤ）を用いた発光装置および照明装置に関する。

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のように発光ダイオードの周囲に外囲器を設けた場合でも、発光装置の背面方向には殆ど照射光が届かず、従来の白熱電球のように全方向に光を照射することは難しい。

また、反射板を用いて発光装置の背面方向に光を照射する方法も考えられるが、この方法では、反射板が全体的に光っているような照明となり、白熱電球のフィラメントが輝いているような照明効果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および照明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、光透過性材料により形成された透明体であって、光源からの光が入射される底面部と、底面部から入射した光を全反射するよう形成された側面部と、側面部にて全反射した光が結像する結像部と、を有する透明体とを備える。

この態様によると、実際の光源から離間した位置に、仮想的な発光部を作り出すことができるとともに、実際の光源を見えなくすることができる。これにより、あたかも白熱電球のフィラメントのように輝いているかのような照明効果を実現できる。

透明体は、光源形状を変形して結像するよう構成されてもよい。

透明体は、光源形状を拡大または縮小するよう構成されてもよい。

透明体は、透明体内部に埋め込まれた複数の反射体をさらに備えてもよい。

透明体は、結像部に結像した光を透明体外部に拡散するための拡散部をさらに備えてもよい。

光源は、発光ダイオードであってもよい。

透明体は、涙滴状に形成されてもよい。また、結像部は、涙滴状の透明体の先端部またはその近傍に位置してもよい。

本発明の別の態様は、照明装置である。この照明装置は、上記の発光装置と、発光装置から出射された光を制御して所定の配光を形成するための光学部材とを備える。

光学部材は、発光装置から出射された光を所定の方向に反射するための反射部を備えてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

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。 本実施形態に係る発光装置における発光の様子を説明するための縦断面図である。 光線追跡シミュレーションの結果を示す図である。 実際に試作した発光装置を示す図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、涙滴状透明体の設計方法を説明するための図である。 様々な外形の涙滴状透明体を示す図である。 光源が面光源の場合の涙滴状透明体の設計方法を説明するための図である。 発光装置の変形例を説明するための図である。 発光装置の別の変形例を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る照明装置を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る照明装置を示す図である。

図１は、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。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からの光を受ける涙滴状透明体２０と、基部１６上に涙滴状透明体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。

涙滴状透明体２０は、アクリル樹脂などの光透過性材料により形成されている。ここで、涙滴状とは、略回転楕円体の長軸方向の一端部を先細り状にした形状である。涙滴状透明体２０は、先細り状の先端部２０ａと、略回転楕円体の長軸方向の他端部に形成された底面部２０ｂと、先端部２０ａと底面部２０ｂの間に形成された側面部２０ｃとを有する。底面部２０ｂは、涙滴状透明体２０の中心軸Ａｘに垂直な円形の平面とされている。涙滴状透明体２０の側面部２０ｃは、底面部２０ｂから涙滴状透明体２０内に入射した光を全反射し、先端部２０ａ近傍に結像させるよう形成されている。

涙滴状透明体２０は、底面部２０ｂが発光ダイオード１２の発光面上に位置するように配置されている。涙滴状透明体２０は、中心軸Ａｘが発光ダイオード１２の発光面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の発光面と涙滴状透明体２０の底面部２０ｂとが当接しているが、離間していてもよい。

図２は、本実施形態に係る発光装置における発光の様子を説明するための縦断面図である。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から放射された光は、底面部２０ｂから涙滴状透明体２０内に入射する。涙滴状透明体２０内に入射した光は、側面部２０ｃで全反射した後、先端部２０ａの近傍に線状の像２２を結ぶ。線状の像２２を形成した光は、先端部２０ａ近傍の側面部２０ｃから涙滴状透明体２０の外に出射する。従って、涙滴状透明体２０を外部から見ると、先端部２０ａの近傍が線状に発光しているように見える。線状の像２２は、仮想的な発光部と言うこともできる。また、底面部２０ｂから側面部２０ｃに入射した光は、側面部２０ｃにて少なくとも１回全反射する。従って、涙滴状透明体２０の外部から側面部２０ｃを見た場合、発光ダイオード１２は見えない。

図３は、光線追跡シミュレーションの結果を示す。図３に示すように、涙滴状透明体の底面部から入射した光が、涙滴状透明体の先端部近傍において線状の像を結んでいる様子が分かる。なお、図３において見えている光源の光は、涙滴状透明体を介さずに直接見えているものであり、涙滴状透明体を通して光源の姿は見えない。

図４は、実際に試作した発光装置を示す。図４から、涙滴状透明体の先端部があたかも白熱電球のフィラメントのように輝いていることが分かる。このように、本実施形態に係る発光装置によれば、涙滴状透明体を用いることにより、光源とは別の位置に仮想発光部を形成することができる。

例えば、通常のＬＥＤを用いた照明器具のように、面発光のＬＥＤから出射された光を直接リフレクタで反射する構成の場合、発光面が大きくなると、リフレクタの設計が難しくなるという課題がある。また、現在ＬＥＤを用いた照明器具は、高輝度化が求められている。この要求を満たすために、ＬＥＤを用いた照明器具では、１つのパッケージに複数のＬＥＤチップが設けられている（「マルチチップＬＥＤ」とも呼ばれる）。マルチチップＬＥＤを用いることは、ＬＥＤチップごとの発光色のバラツキが平均化され、目立たなくなるという効果も有する。しかしながら、このようにマルチチップＬＥＤを用いて光源を構成した場合、発光面の大型化は避けられず、リフレクタの設計が難しくなる。しかしながら、本実施形態に係る発光装置によれば、光源がある程度の大きさを持つ場合でも、涙滴状透明体の先端部またはその近傍に集光・結像して、任意の大きさの仮想発光部を形成できるので、該仮想発光部を光源として容易にリフレクタの設計ができる。これにより、表面実装タイプの大型ＬＥＤやマルチチップＬＥＤを使ったダウンライトやスポットライトなどの照明器具の設計が容易となる。

また、装飾照明の分野において、クリアタイプの白熱電球のニーズは多くあり、白熱電球のフィラメントから発せられる光の質感を求められることは多い。そこで、従来より、ＬＥＤ素子を実際にフィラメントのように使う試みや、表面実装タイプのＬＥＤを取り付ける土台を電球の中心部に届くように設け、発光させるような試みがあった。前者は放熱がし難いため寿命が短く、高輝度の電球を作りにくいという欠点があった。また、後者は電球の中心付近まで土台を設ける必要があるため、クリアタイプの電球では土台が目立ってしまい、美観的に問題があった。その点、本実施形態に係る発光装置は、光源から離間した位置にフィラメントに似た線状の仮想発光部を形成でき、特別に土台を高くする必要がないので、美観的に問題が少ない。また、仮想発光部と実際の光源とが離間していることから、実際の光源に対して十分な放熱対策を講じることができる。

図５（ａ）〜（ｄ）は、涙滴状透明体の設計方法を説明するための図である。まず、図５（ａ）に示すように、点光源が基板などの平面上に置かれた状態を仮定する。そして、点光源を通る平面の垂線を立てる。次に、垂線と平面間の角度をｎ分割するｎ−１本の補助線を引く。ここでは、垂線と平面との間を８分割する７本の補助線ａ１〜ａ７を引くものとする。補助線ａ１が最も平面側であり、補助線ａ７が最も垂線側である。なお、本説明では分かりやすくするため等分割としたが、必ずしも等分割でなくてもよい。次に、底面部の半径Ａを決める。この底面部の半径Ａは、涙滴状透明体の大きさを決めるパラメータとなる。図５（ａ）に示すように、点光源から半径Ａ離れた平面上の点をＰ１とする。

次に、図５（ｂ）に示すように、点Ｐ１を通る補助線ｂ１を引く。ここで、点光源と点Ｐ１を結ぶ線分と補助線ｂ１のなす角θ１は、涙滴状透明体の臨界角θｃより大きい値とされる。臨界角θｃは、涙滴状透明体の屈折率ｎ１と、その外側の媒質（例えば空気）の屈折率ｎ２により、以下の（１）式のように定まる。
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１） ・・・（１）
次に、点Ｐ１を通る補助線ｂ１に垂直な補助線ｃ１を引く。この補助線ｃ１と補助線ａ１との交点をＰ２とする。

次に、図５（ｃ）に示すように、点Ｐ２を通る補助線ｂ２を引く。ここで、点光源と点Ｐ２を結ぶ線分と補助線ｂ１のなす角θ２は、臨界角θｃより大きい値とされる。θ１とθ２は同じであってもよいし、異なっていてもよい。次に、点Ｐ２を通る補助線ｂ２に垂直な補助線ｃ２を引く。この補助線ｃ２と補助線ａ２との交点をＰ３とする。以降、同様な作業を繰り返し、最終的に補助線ｃ９と垂線との交点Ｐ９が定められる。

以上のようにして定められた点１〜点９をつなぐと、図５（ｄ）に示すように涙滴状透明体の側面部の外形が定められる。垂線と平面との間の分割数ｎを大きくすればするほど、涙滴状透明体の外形を滑らかな曲線とすることができる。また、近似的には、図５（ｄ）に示されるように、各点を滑らかな曲線で結んでもよい。なお、ここでは横断面における涙滴状透明体の右側部分について説明したが、当然左側部分についても同様に設計できる。

点Ｐｎにおける補助線ｂｎの角度θｎは、涙滴状透明体の臨界角θｃを超える角度であれば、任意に取ることができる。角度θｎの値を変化させることにより、図６に示すように様々な外形の涙滴状透明体を設計できる。

図７は、光源が面光源の場合の涙滴状透明体の設計方法を説明するための図である。面光源は、横断面図で見ると、複数の点光源が横に並んだ状態とみなすことができる。ここでは、３つの点光源Ａ〜Ｃが横に並んだ状態を考える。この場合、まず中心の点光源Ｂに関して、図５（ａ）〜（ｄ）で説明した方法により、涙滴状透明体の右側の側面部の外形線７０を描く。そして、面光源の半径ｄだけ外形線７０を内側（左側）方向にオフセットさせる。このオフセットした外形線７２は、左端の点光源Ａに関して設計した外形線となる。左端の点光源Ａから出射された光７４が全反射するように外形線７２を設計すれば、中心の点光源Ｂや右端の点光源Ｃから出射された光７６は光７４よりも大きな入射角で外形線７２に入射するので、必ず全反射する。同様に、涙滴状透明体の左側の側面部の外形線についても設計することで、面光源の場合の涙滴状透明体を設計できる。面光源の場合、点光源の場合よりも涙滴状透明体の横幅が小さくなる特徴がある。

図８は、発光装置の変形例を説明するための図である。図８に示すように、本変形例に係る発光装置１０は、複数の微小な反射体８０が涙滴状透明体２０内に埋め込まれている。反射体は、プリズムや反射鏡などであってよい。反射体８０の形状は、特に限定されず、三角形、四角形などの多角形状をとることができる。

このように涙滴状透明体２０内に反射体８０を埋め込んだ場合、発光ダイオード１２から涙滴状透明体２０内に入射した光を先端部２０ａの近傍で結像させるだけでなく、様々な方向に拡散させることができる。

図９は、発光装置の別の変形例を説明するための図である。図９に示すように、本変形例に係る発光装置１０は、先端部２０ａに断面Ｖ字型の凹部８２が形成されている。この凹部８２は、先端部２０ａに結像した光の一部を透明体外部に拡散するための拡散部として機能する。このように涙滴状透明体２０の先端部２０ａに凹部８２を設けることにより、発光ダイオード１２から涙滴状透明体２０内に入射した光を先端部２０ａの近傍で結像させるだけでなく、様々な方向に拡散させることができる。

図１０は、本発明の実施形態に係る照明装置を示す。図１０に示すように、照明装置１００は、図９に示す発光装置１０と、発光装置１０の凹部８２から拡散された光を発光装置１０の上方に反射するためのパラボラ状の反射鏡８４と、発光装置１０および反射鏡８４の周囲を囲う透光性のカバー部材（図示せず）とを備える。カバー部材の形状は、通常の白熱電球と同様の形状であってよい。このように、発光装置１０に反射鏡８４を設けることにより、平行光やスポット光等の所望の配光を作り出す照明装置を実現できる。このような照明装置としては、ダウンライトやスポットライトを例示できる。上述したように、実際の光源とは別の位置に仮想発光部を形成できる発光装置１０を用いることにより、光源がある程度の大きさを有する場合でも、容易に反射鏡８４を設計できる。

図１１は、本発明の別の実施形態に係る照明装置を示す。図１１に示すように、本実施形態に係る照明装置１００は、涙滴状透明体２０の先端部２０ａに光ファイバ８６が接続されている。涙滴状透明体２０は、先端部２０ａに光を集めることができるので、光ファイバ８６の一方の端部に光を入射させることができる。また、光ファイバ８６の他方の端部には、小型の涙滴状透明体８８が設けられている。光ファイバ８６の他方の端部から涙滴状透明体８８の底面部に入射した光は、涙滴状透明体８８の先端部に設けられた凹部９０から拡散される。このように照明装置１００は、ファイバーオプティクス機器の光源として利用可能である。

本照明装置１００では、光ファイバ８６の端部は、実際の光源である発光ダイオード１２から離れている。従って、発光ダイオード１２の発する熱の影響を受けにくいので、光ファイバ８６として安価で加工の簡単なプラスチック製のものを使用できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。本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。

例えば、上述の実施形態では、先端部近傍に線状の像を結ぶよう涙滴状透明体の側面部を形成したが、他の形状の像を結ぶよう側面部を形成してもよい。また、光源形状を縮小または拡大した像を結ぶよう側面部を形成してもよい。例えば、光源形状を縮小した像を結ぶ場合、元の光源よりも輝度の高い小さな発光部を光源から離れた位置に設けることができる。また、像を結ぶ結像部は、涙滴状透明体の先端部またはその近傍に限定されず、涙滴状透明体の任意の位置とすることができる。また、上述の実施形態では、涙滴状透明体を用いたが、透明体の形状は涙滴状に限定されない。底面部から入射光を全反射して、所定の位置に結像させる側面部を有する透明体であれば、任意の形状を採用できる。

１０ 発光装置、 １２ 発光ダイオード、 １４ 回路基板、 １６ 基部、 １８ 支持部材、 ２０ 涙滴状透明体、 ８０ 反射体、 ８２ 凹部、 ８４ 反射鏡、 ８６ 光ファイバ、 １００ 照明装置。

Claims (10)

1. 光源と、
   光透過性材料により形成された透明体であって、前記光源からの光が入射される底面部と、前記底面部から入射した光を全反射するよう形成された側面部と、前記側面部にて全反射した光が結像する結像部と、を有する透明体と、
   を備えることを特徴とする発光装置。
2. 前記透明体は、光源形状を変形して結像するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記透明体は、光源形状を拡大または縮小するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
4. 前記透明体は、透明体内部に埋め込まれた複数の反射体をさらに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。
5. 前記透明体は、前記結像部に結像した光を透明体外部に拡散するための拡散部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。
6. 前記透明体は、涙滴状に形成され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。
7. 前記結像部は、涙滴状の前記透明体の先端部またはその近傍に位置することを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
8. 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７のいずれかに記載の発光装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の発光装置と、
   前記発光装置から出射された光を制御して所定の配光を形成するための光学部材と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
10. 前記光学部材は、前記発光装置から出射された光を所定の方向に反射するための反射部を備えることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。