JP2013122882A - Ｌｅｄ光源用導光体 - Google Patents

Abstract

【課題】光源と光出射面が比較的離れた位置関係にある導光体を、安価な製造コストで製造することが可能な構造とすることにある。
【解決手段】一方の端部にＬＥＤ光源６０からの出射光が入射する第３光入射面７１を有する柱状部７０を備え、該柱状部７０の第３光入射面７１近傍の外周に巻くように、レンズの中央部をくり抜いた形状の環状レンズ部３０を装着した。これにより、ＬＥＤ光源６０から第３光入射面７１を介して柱状部７０に入射した光Ｌ３及びＬＥＤ光源６０から環状レンズ部３０を導光して該環状レンズ部３０から大気中に出射した光Ｌ４をいずれも柱状部７０の長手方向の中心軸Ｘに沿う平行光となるようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は、ＬＥＤ光源用導光体に関するものであり、詳しくは、ＬＥＤ光源を用い、ＬＥＤ光源と光出射面が比較的離れた位置関係にあり且つ光出射面が立体的に形成されてなる導光体に関する。

ＬＥＤ光源からの出射光を導光して所定の方向に向けて照射する導光体は、用途や配置スペース等の使用条件に基づいて種々の形状のものが作製される。

そのうち、点状光源であるＬＥＤ光源からの出射光を導光して面状或いは環状の光として照射する導光体としては、従来、図１１に示す形状のものが開示されている。

それは、円盤形状からなる円盤状部８１と、該円盤状部８１から略垂直に延びる柱状の柱状部８２とで導光体８０が構成され、柱状部８２の先端部に該柱状部８２の中心軸Ｘ上の位置Ｘｐを中心とする凹状の球面からなる光入射面８３を有している。

また、円盤状部８１の光入射面８３と対向する位置には、球面からなる光入射面８３の中心位置Ｘｐを仮想焦点とし、仮想焦点Ｘｐを通り光軸Ｘに直交する直線を主軸Ｙとする放物線の一部を光軸Ｘを回転軸として回転させて得られる回転放物面からなる凹状の第１光反射面８４を有している。

さらに、円盤状部８１の外周縁部には、柱状部８２の中心軸Ｘに対して４５°の角度で傾斜した傾斜面からなる第２光反射面８５を有している。

そこで、ＬＥＤ光源８６を該ＬＥＤ光源８６の発光部が、中心軸Ｘ上の位置Ｘｐに位置するように配置して点灯すると、ＬＥＤ光源８６からの出射光は光入射面８３を介して導光体８０内に入射する。

このとき、ＬＥＤ光源８６の発光部は球面からなる光入射面８３の中心位置Ｘｐに位置するため、ＬＥＤ光源８６からの出射光は光入射面８３で屈折することなく導光体８０内に入射し、ＬＥＤ光源８６から直線状に導光体８０内を導光されて回転放物面からなる第１光反射面８４に向かう。

ＬＥＤ光源８６の発光部の位置を仮想焦点Ｘｐとする第１光反射面８４に向かう光のうち、光軸Ｘに沿う光はそのまま外部に向けて照射され、光軸Ｘから離れる方向に向かう光は第１光反射面８４で反射（全反射）されて反射光が平行光となって円盤状部８１の外周縁部に向かって導光体８０内を導光され、第２光反射面８５に向かう。

柱状部８２の中心軸Ｘに対して４５°の角度で傾斜した傾斜面からなる第２光反射面８５に向かう光は、該第２光反射面８５で反射（全反射）されて反射光が平行光となって光出射面８７から外部に向けて照射される。

この導光体８０を光出射面８７側から見ると、導光体８０の中央部が点状に且つ外周部が環状に明るく見えるものとなる（参考文献１参照）。

特開２０１０−２１１９４５号公報

ところで、上記形状の導光体８０は、図１１からもわかるように、ＬＥＤ光源８６と光出射面８７が比較的近い位置関係にある。しかしながら、用途や配置スペースや意匠等の条件によってはＬＥＤ光源８６と光出射面８７を離れた位置に設ける必要が生じる場合がある。

その場合、柱状部８２を延長して、ＬＥＤ光源８６から出射して光入射面８３から円盤状部８１に向かう光を延長した柱状部８２で導光することにより、ＬＥＤ光源８６と光出射面８７の距離を稼ぐことが考えられる。

但し、導光体８０は透明樹脂の射出成形により形成されるものであり、導光体８０の柱状部８２を単に延長するだけでは、成形金型の金型製作費が高くなると共に成形材料の増加により材料費も高くなり、導光体８０の製造コストの上昇を招くことになる。

また、この導光体８０を光出射面８７側から見ると、光出射面８７からの点状光と環状光に立体感及び奥行き感がなく、意匠的に不十分なものとなっている。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、光源と光出射面が比較的離れた位置関係にある導光体を、安価な製造コストで製造することが可能な構造とすることにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、一方の端部にＬＥＤ光源からの出射光が入射する光入射面を有する柱状部を備えたＬＥＤ光源用導光体であって、前記柱状部は、該柱状部の前記光入射面近傍の外周に巻くように、レンズの中央部をくり抜いた形状の環状レンズが装着され、前記光入射面近傍の前記柱状部の長手方向の中心軸上に配置されたＬＥＤ光源から該光入射面に向けて出射された光は、該光入射面から前記導光体に入射して導光体内を導光され、前記ＬＥＤ光源から前記環状レンズに向けて出射された光は前記環状レンズを導光されて外部に出射されて大気中を前記柱状部に沿って伝搬されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記光入射面及び前記環状レンズは前記ＬＥＤ光源の位置を焦点位置とし、そのうち前記光入射面は前記中心軸を回転軸としたＬＥＤ光源側に凸状の双曲面或いは双曲面に近似した非球面からなり、前記環状レンズは両凸レンズ、双曲面レンズ或いは凸メニスカスレンズの中央部をくり抜いた形状を有しており、前記ＬＥＤ光源から出射して前記柱状部に入射した光及び前記ＬＥＤ光源から出射して前記環状レンズを導光して該環状レンズから出射した光はいずれも前記中心軸に沿う略平行光となることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ光源用導光体は、一方の端部にＬＥＤ光源からの出射光が入射する光入射面を有する柱状部を備え、該柱状部の光入射面近傍の外周に巻くように、レンズの中央部をくり抜いた形状の環状レンズを装着した。これにより、ＬＥＤ光源から光入射面を介して柱状部に入射した光及びＬＥＤ光源から環状レンズを導光して該環状レンズから大気中に出射した光をいずれも柱状部の長手方向の中心軸Ｘに沿う平行光となるようにした。

その結果、ＬＥＤ光源用導光体の柱状部が長くなっても、太さを太くすることなく環状レンズを装着することにより、環状レンズの外径と同じ太さの柱状部と略同等の光利用効率を確保することができる。そこで、柱状部の太さを細くできることから、成形金型の金型製作費を安価に抑えることができる共に成形材料の増加が抑制でできて材料費も抑えられ、ＬＥＤ光源用導光体の製造コストを低く抑えることが可能となる。

実施形態を光出射面側から見た斜視説明図である。 実施形態を光出射面と反対側から見た斜視説明図である。 実施形態の上面説明図である。 図３のＡ−Ａ断面説明図である。 図３のＢ−Ｂ断面説明図である。 柱状部内を導光される光の光路説明図である。 柱状部内を導光される光の光路説明図である。 柱状部の説明図である。 環状レンズ部の説明図である。 環状レンズ部の説明図である。 従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１０を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１はＬＥＤ光源用導光体に係わる実施形態を光出射面側から見た斜視説明図であり、図２は実施形態を光出射面と反対側から見た斜視説明図であり、図３は実施形態の上面説明図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面説明図であり、図５は図３のＢ−Ｂ断面説明図である。

ＬＥＤ光源用導光体（以下、「導光体」と略称する）１は、形状が異なる２種類の複数の柱状部２５、７０と、夫々各柱状部２５、７０に垂直な第１平板部４０及び第２平板部５０の２つの平板部とで構成されている。

各柱状部２５は、所定の長さの直線状で半円柱状の第１半円柱部５と、第１半円柱部５よりも所定の長さだけ長い直線状で半円柱状の第２半円柱部１０とが互いの平面部同士を貼り合わされて一体化された形状を有しており、第１半円柱部５と第２半円柱部１０との貼り合わせ部に対応する円柱状の円柱部１５と第２半円柱部１０に対応する半円柱状の半円柱部２０で構成されている。複数の柱状部２５は、複数の柱状部７０と共に直線状に平行に並設されている。

各柱状部２５の第１半円柱部５の端部に対応する位置には、夫々の第１半円柱部５の半円柱側に連設された、第１半円柱部５の径方向に延びる略平板状の第１平板部４０が形成されている。同様に、各柱状部２５の半円柱部２０の端部には、夫々の半円柱部２０の半円柱側に連設された、半円柱部２０の径方向に延びる略平板状の第２平板部５０が形成されている。

これにより、第１平板部４０と第２平板部５０の位置関係は、第１平板部４０が第２平板部５０よりも柱状部２５の円柱部１５の端部側に位置すると共に、柱状部２５を長手方向に沿って２分割する面を挟んだ夫々の側に位置している。

各柱状部２５の円柱部１５の端面は、円柱部１５の長手方向の中心軸Ｘ上の位置Ｘｐを焦点位置とし、中心軸Ｘを主軸とする焦点Ｘｐ側に凸状の双曲面あるいは双曲面に近似した非球面からなっており、この面は後述するＬＥＤ光源からの出射光を導光体１内に導入するときの光入射面（第１光入射面）１６となる。

第１半円柱部５の半円状の先端部には、中心軸Ｘから該中心軸Ｘに対して先方に向かって外側に開いた直線を中心軸Ｘを中心軸として回転させて得られた凹状の傾斜系曲面からなる反射面（第１光反射面）６が位置している。

同様に、半円柱部２０の半円状の先端部には、中心軸Ｘから該中心軸Ｘに対して先方に向かって外側に開いた直線を中心軸Ｘを中心軸として回転させて得られた凹状の傾斜系曲面からなる反射面（第２光反射面）２１が位置している。

上記第１光反射面６及び第２光反射面２１はいずれも中心軸Ｘに対してα＝４５°の角度で傾斜した曲面からなっている。

夫々の第１半円柱部５の半円柱側に連設された第１平板部４０は、第１半円柱部５の先端部側の面（表面）４１は中心軸Ｘに対して略垂直な平坦面とされ、第１光入射面１６側の面（裏面）４５は複数の平坦面４６と複数の傾斜面（傾斜反射面）４７が、中心軸Ｘを中心とする同心半円状に交互に所定の幅及びピッチで形成されている。

そのうち、複数の平坦面４６は中心軸Ｘから外側に向かって表面４１側に高くなる階段状に配置され、一方、複数の傾斜反射面４７は夫々段差状に隣接する平坦面４６同士に接続されると共に、中心軸Ｘに対して表面４１側に向かって外側にβ＝４５°の角度で傾斜した曲面からなっている。

したがって、複数の傾斜反射面４７も平坦面４６と同様に中心軸Ｘから外側に向かって表面４１側に高くなる段階状に配置されている。

また、夫々の半円柱部２０の半円柱側に連設された第２平板部５０は、半円柱部２０の先端部側の面（表面）５１は中心軸Ｘに対して略垂直な平坦面とされ、第１光入射面１６側の面（裏面）５５は複数の平坦面５６と複数の傾斜面（傾斜反射面）５７が、中心軸Ｘを中心とする同心半円状に交互に所定の幅及びピッチで形成されている。

そのうち、複数の平坦面５６は中心軸Ｘから外側に向かって表面５１側に高くなる階段状に配置され、一方、複数の傾斜反射面５７は夫々段差状に隣接する平坦面５６同士に接続されると共に、中心軸Ｘに対して表面５１側に向かって外側にγ＝４５°の角度で傾斜した曲面からなっている。

したがって、複数の傾斜反射面５７も平坦面５６と同様に中心軸Ｘから外側に向かって表面５１側に高くなる段階状に配置されている。

一方、上記柱状部２５とは形状が異なる他の種類の柱状部７０は、所定の長さの直線状の円柱形状を有しており、複数の柱状部７０は、複数の柱状部２５と共に直線状に平行に並設されている。また、柱状部７０の端部には該円柱部７０の径方向に延びる環状の環状レンズ部３０が後付けで装着されている。

各柱状部７０には、円柱形状の半円柱側に、各柱状部２５の第１半円柱部５の半円柱部側に連設された第１平板部４０が連設され、他の半円柱側には、各柱状部の半円柱部２０の半円柱部側に連設された第２平板部５０が連設されている。

各柱状部７０の端面は、該柱状部７０の長手方向の中心軸Ｘ上の位置Ｘｐを焦点位置とし、中心軸Ｘを主軸とする焦点Ｘｐ側に凸状の双曲面あるいは双曲面に近似した非球面からなっており、この面は後述するＬＥＤ光源からの出射光を導光体１内に導入するときの光入射面（第３光入射面）７１となる。

環状レンズ部３０は、光入射面７１と同様に柱状部７０の長手方向の中心軸Ｘ上の位置Ｘｐを焦点位置とする両凸レンズの中央部をくり抜いた形状を有しており、焦点Ｘｐ側の面がＬＥＤ光源からの出射光を環状レンズ部３０に導入するときの光入射面（第２光入射面）３１となり、反対側の面が環状レンズ部３０内を導光された光が第１平板部４０及び第２平板部５０の側に向けて照射される第３光出射面３２となる。

そこで、上記導光体１をその光照射方向、つまり、第１平板部４０の表面４１を出射面とする第１光出射面４３及び第２平板部５０の表面５１を出射面とする第２光出射面５３の位置する側から見ると、各柱状部２５及び各柱状部７０を結ぶ線を境にして一方の側に第１平板部４０が位置し、他方の側に第２平板部５０が位置する。それと同時に、第１平板部４０が奥に位置し、それに対して第２平板部５０が手前に位置する。

このような構成の導光体１において、図６（柱状部２５内を導光される光の光路説明図）のように、各柱状部２５の円柱部１５の第１光入射面１６の焦点位置である中心軸Ｘ上の位置Ｘｐに、ＬＥＤ光源６０の発光部を位置させた状態で該ＬＥＤ光源６０を点灯すると、ＬＥＤ光源６０からの出射光は第１光入射面１６に向かう。

そこで、ＬＥＤ光源６０から第１光入射面１６に向かう光は、双曲面あるいは双曲面に近似した非球面からなる第１光入射面１６から略平行光として柱状部２５の円柱部１５に入射し、円柱部１５内を導光されてその約半分が第１光反射面６に到達し、約半分が更に半円柱部２０内を導光されて第２光反射面２１に到達する。

第１反射面６に到達した光は、中心軸Ｘに対して４５°の傾斜面からなる第１反射面６で反射（全反射）されて第１平板部４０内を中心軸Ｘに対する放射方向に導光される。そして、第１平板部４０内を導光される光のうち段階状に配置された複数の傾斜反射面４７の夫々に到達した光Ｌ１は該傾斜反射面４７で反射して反射光が表面４１を第１光出射面４３として該第１光出射面４３から外部に照射される。

一方、第２反射面２１に到達した光は、中心軸Ｘに対して４５°の傾斜面からなる第２反射面２１で反射（全反射）されて第２平板部５０内を中心軸Ｘに対する放射方向に導光される。そして、第１平板部５０内を導光される光のうち段階状に配置された複数の傾斜反射面５７の夫々に到達した光Ｌ２は該傾斜反射面５７で反射して反射光が表面５１を第２光出射面５３として該第２光出射面５３から外部に照射される。

それに対し、図７（柱状部７０内を導光される光の光路説明図）のように、各柱状部７０の第３光入射面７１の焦点位置であり且つ各環状レンズ部３０の焦点位置でもある中心軸Ｘ上の位置Ｘｐに、ＬＥＤ光源６０の発光部を位置させた状態で該ＬＥＤ光源６０を点灯すると、ＬＥＤ光源６０からの出射光は、その一部が第３光入射面７１に向かい、一部が環状レンズ部３０の第２光入射面３１に向かう。

そこで、ＬＥＤ光源６０から第３光入射面７１に向かう光Ｌ３は、双曲面あるいは双曲面に近似した非球面からなる第３光入射面７１から略平行光として柱状部７０に入射し、柱状部７０内を導光されて先端部７２から外部に照射される。

また、ＬＥＤ光源６０から出射して環状レンズ部３０の第２光入射面３１に向かう光Ｌ４は、環状レンズ部３０の第２光入射面３１から環状レンズ部３０に入射し、環状レンズ部３０内を導光されて第３光出射面３２から外部に照射される。

この時、環状レンズ部３０は上述したようにＬＥＤ光源６０の発光部の位置Ｘｐを焦点位置とする凸レンズからなっており、第２光入射面３１と第３光出射面３２は焦点位置Ｘｐからの出射光を平行光に光路制御する形状とされている。

したがって、環状レンズ部３０の第３光出射面３２からの出射光Ｌ４は、平行光となって柱状部７０の近傍を該柱状部７０に沿って第１平板部４０及び第２平板部５０の方向に向かい、第１平板部４０内及び第２平板部５０内を導光されてそのまま第１平板部４０の第１出射面４３の柱状部７０の先端部７２近傍及び第２平板部５０の第２光出射面５３の柱状部７０の先端部７２近傍から外部に照射される。

そこで、周囲を暗くしてＬＥＤ光源６０を点灯した状態の導光体１をその光照射方向から見ると、奥に位置する第１平板部４０から照射される、柱状部２５を中心とする同心半円状の複数の光Ｌ１と、その手前に位置する第２平板部５０から照射される、柱状部２５を中心とする同心半円状の複数の光Ｌ２と、柱状部７０内を導光されてその先端部７２から照射されるＬ３光と環状レンズ部３０内を導光されて更に第１平板面４０及び第２平板部５０内を導光されて外部に照射される、柱状部７０の先端部を囲むような環状の光Ｌ４が観視される。

これにより、導光体１を介して照射される光が、スポット的な表現部分と第１平板部４０と第２平板部５０との物理的な位置関係に基づいて奥行きのある立体感を効果的に表現する部分の両方を形成するものであり、この導光体１を遊技機や自販機等の各種機器の光源部や表示部に用いることにより意匠性に優れた光の演出を効果的に行うことができる。

また、環状レンズ部３０を装着しない柱状部７０に対して、ＬＥＤ光源６０からの出射光を効率的に入射させて光の利用効率を高めるためには、柱状部７０の太さを太くしてＬＥＤ光源からの入射光量を増やすことが考えられる。但し、その場合、上記「背景技術」の項で述べたように、導光体１は透明樹脂の射出成形により形成されるものであり、柱状部２５の太さが太いことにより成形金型の金型製作費が高くなると共に成形材料の増加により材料費も高くなり、導光体１の製造コストの上昇を招くことになる。

これに対し、本発明の導光体１は、柱状部７０の太さを細くしても環状レンズ部３０を装着することにより、環状レンズ部３０の外径と同じ太さの柱状部７０と略同等の光利用効率を確保することができる。それと同時に、柱状部７０の太さを細くできることから、成形金型の金型製作費を安価に抑えることができる共に成形材料の増加が抑制でできて材料費も抑えられ、導光体１の製造コストを低く抑えることが可能となる。

ところで、第１平板部４０の第１光出射面４３及び第２平板部５０の第２光出射面５３は、ＬＥＤ光源の非点灯時の見栄えを向上させるために細線による意匠彫刻を施すこともある。この場合、夫々の光出射面４３、５３からの出射光に与える影響を最小限に抑えるように考慮される。

なお、上述の実施形態では、環状レンズ部３０を、全体が円柱状の柱状部７０の第３光入射面７１近傍に装着しているが、環状レンズ部３０を装着する柱状部の形状はこれに限られるものではなく、図８（柱状部２５の説明図）のように例えば、実施形態の中で、所定の長さの直線状で半円柱状の第１半円柱部５と、第１半円柱部５よりも所定の長さだけ長い直線状で半円柱状の第２半円柱部１０とが互いの平面部同士を貼り合わされて一体化された形状とされる柱状部２５の第１光入射面１６近傍に装着することも可能である。

これにより、柱状部７０に環状レンズ部３０を装着したときとは異なる光の演出効果が得られるものであり、具体的には、環状レンズ部３０内を導光されて更に第１平板面４０及び第２平板部５０内を導光されて外部に照射される環状の光Ｌ５、及び奥に位置する第１平板部４０から照射される、前記環状の光を中心とする同心半円状の複数の光Ｌ６と、その手前に位置する第２板部５０から照射される、前記環状の光を中心とする同心半円状の複数の光Ｌ７が観視される。

つまり、水面に石を投げ入れた時に水面に広がる波紋のような模様を照射光によって表現することができるものであり、異なる意匠性をアピールすることが可能となる。

環状レンズ部３０は上述の両凸レンズに限られるものではなく、ＬＥＤ光源６０からの出射光を平行光に光路制御する環状レンズであればよく、例えば図９（環状レンズ部の説明図）に示すような双曲面レンズからなる環状レンズ部７５、或いは図１０（環状レンズ部の説明図）に示すような凸メニスカスレンズからなる環状レンズ部７６でもよい。

いずれの場合も、ＬＥＤ光源６０からの出射光は、柱状部７５内を平行光として導光される光Ｌ８と、環状レンズ部７５内或いは環状レンズ部７６内を導光されて大気中に出射され大気中を平行光として柱状部７７に沿って伝搬される光Ｌ９に光路が分かれる。

１… ＬＥＤ光源用導光体
５… 第１半円柱部
６… 第１光反射面
１０… 第２半円柱部
１５… 円柱部
１６… 第１光入射面
２０… 半円柱部
２１… 第２光反射面
２５… 柱状部
３０… 環状レンズ部
３１… 第２光入射面
３２… 第３光出射面
４０… 第１平板部
４１… 表面
４３… 第１光出射面
４５… 裏面
４６… 平坦面
４７… 傾斜面（傾斜反射面）
５０… 第２平板部
５１… 表面
５３… 第２光出射面
５５… 裏面
５６… 平坦面
５７… 傾斜面（傾斜反射面）
６０… ＬＥＤ光源
７０… 柱状部
７１… 第３光入射面
７２… 先端部
７５… 環状レンズ部
７６… 環状レンズ部
７７… 柱状部

Claims (2)

1. 一方の端部にＬＥＤ光源からの出射光が入射する光入射面を有する柱状部を備えたＬＥＤ光源用導光体であって、
   前記柱状部は、該柱状部の前記光入射面近傍の外周に巻くように、レンズの中央部をくり抜いた形状の環状レンズが装着され、
   前記光入射面近傍の前記柱状部の長手方向の中心軸上に配置されたＬＥＤ光源から該光入射面に向けて出射された光は、該光入射面から前記導光体に入射して導光体内を導光され、前記ＬＥＤ光源から前記環状レンズに向けて出射された光は前記環状レンズを導光されて外部に出射されて大気中を前記柱状部に沿って伝搬されることを特徴とするＬＥＤ光源用導光体。
2. 前記光入射面及び前記環状レンズは前記ＬＥＤ光源の位置を焦点位置とし、そのうち前記光入射面は前記中心軸を回転軸としたＬＥＤ光源側に凸状の双曲面或いは双曲面に近似した非球面からなり、前記環状レンズは両凸レンズ、双曲面レンズ或いは凸メニスカスレンズの中央部をくり抜いた形状を有しており、
   前記ＬＥＤ光源から出射して前記柱状部に入射した光及び前記ＬＥＤ光源から出射して前記環状レンズを導光して該環状レンズから出射した光はいずれも前記中心軸に沿う略平行光となることを特徴とする請求項１に記載の導光体。

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