JP2013135141A - 光束制御部材および発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の発光素子が密に配置される場合であっても、射出成形による成形性が良好な光束制御部材を提供すること。
【解決手段】光束制御部材１２０は、複数の入射凹部１２１、複数の出射凹部１２２および複数の全反射面１２３を有する。隣接する第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の中心軸ＣＡ１，ＣＡ２を通る断面において、第１出射凹部１２２と第２出射凹部１２２’との間隔をｄ１とし、第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１’との間隔をｄ２とし、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の開口部からの第１出射凹部１２２および第２出射凹部１２２’の最小高さをｈ１とし、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の開口部からの第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１’との間に位置する全反射面の最大高さをｈ２としたときに、ｄ１＜ｄ２であり、かつｈ１＞ｈ２である。
【選択図】図８

Description

本発明は、発光素子から出射された光の進行方向を制御する光束制御部材および前記光束制御部材を有する発光装置に関する。

近年、省エネルギーや環境保全の観点から、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）を光源とする発光装置が、スポットライトに代わるものとして使用されている（例えば、特許文献１参照）。

図１は、特許文献１に記載の発光装置の構成を示す断面図である。図１に示されるように、発光装置１０は、基板１１と、基板１１上に所定の間隔でマトリックス状に配置された複数のＬＥＤ１２（発光素子）と、複数のＬＥＤ１２に対向して配置されたレンズ体１３（光束制御部材）とを有する。レンズ体１３は、複数のＬＥＤ１２のそれぞれに対応した複数のレンズ１４を有する。複数のレンズ１４は、それぞれ、ＬＥＤ１２から出射した光を入射する入射凹部１５と、入射凹部１５から入射した光の一部を全反射する全反射面１６と、レンズ１４に入射した光の一部を出射する出射凹部１７とを有しており、一体として成形されることでレンズ体１３を構成する。

発光装置１０は、入射凹部１５の径が出射凹部１７の径と同程度になるように形成されている。これにより、入射凹部１５の天面から入射した光は、出射凹部１７の底面から出射される。一方、入射凹部１５の側面から入射した光は、全反射面１６で反射して出射凹部１７が形成されていない天面から出射される。このように、発光装置１０は、レンズ体１３を用いて複数のＬＥＤ１２からの出射光の進行方向を制御することにより、被照射面の所定の範囲を照らすことができる。

特開２００７−０５９０７３号公報

スポット光を照射する発光装置（スポットライト）には、被照射面の所定の範囲を明るく照らすことが要求される。特許文献１に記載の発光装置１０を用いて、被照射面の所定の範囲を明るく照らすには、ＬＥＤ１２の数を増やして出射する光量を増加させることが考えられる。このとき、単位面積あたりのＬＥＤ１２の数を増やすためには、ＬＥＤ１２間の間隔を短くする（ＬＥＤ１２を密に配置する）必要がある。また、ＬＥＤ１２間の間隔を短くすることに伴って、レンズ１４間の間隔も短くする必要がある。

図２は、特許文献１に記載の発光装置１０において、ＬＥＤ１２を密に配置した場合に考えられる発光装置の構成を示す断面図である。特許文献１に記載の発光装置１０において、ＬＥＤ１２間の間隔を短くすると、図２の破線で示されるように、レンズ体１３において互いに隣接するレンズ１４の連接部に肉厚部分ができてしまう。このようなレンズ体１３を射出成形で作製する場合、連接部の肉厚部分にヒケが生じ易くなり、成形性を悪化させるおそれがある。また、肉厚部分において、金型に充填された樹脂が硬化するのに要する時間が長くなってしまい、成形効率が低下するという問題もある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複数の発光素子を光源として有する発光装置に用いられる光束制御部材であって、発光素子が密に配置される場合であっても、射出成形による成形性が良好な光束制御部材を提供することを目的とする。また、本発明は、この光束制御部材を有する発光装置を提供することも目的とする。

本発明の光束制御部材は、所定の間隔で規則的に配置された複数の発光素子から出射された光の進行方向を制御する光束制御部材であって、前記複数の発光素子のそれぞれと対向する位置に形成された複数の入射凹部と、前記入射凹部の反対側に、前記複数の入射凹部のそれぞれと対応して形成された複数の出射凹部と、前記複数の入射凹部のそれぞれの周囲に、前記入射凹部の開口部から前記出射凹部の開口部に向かって、前記発光素子の光軸を中心軸として、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように形成された複数の全反射面と、を有し、隣接する第１入射凹部および第２入射凹部の中心軸を通る断面において、前記第１入射凹部に対応する第１出射凹部と前記第２入射凹部に対応する第２出射凹部との間隔をｄ１とし、前記第１入射凹部と前記第２入射凹部との間隔をｄ２とし、前記第１入射凹部および前記第２入射凹部の開口部からの前記第１出射凹部および前記第２出射凹部の最小高さをｈ１とし、前記第１入射凹部および前記第２入射凹部の開口部からの前記第１入射凹部と前記第２入射凹部との間に位置する全反射面の最大高さをｈ２としたときに、ｄ１＜ｄ２であり、かつｈ１＞ｈ２である、構成を採る。

本発明の発光装置は、複数の発光素子と、前記光束制御部材とを有する、構成を採る。

本発明によれば、発光素子が密に配置された場合であっても、射出成形による成形性が良好な光束制御部材を提供することができる。したがって、本発明によれば、省スペース化を可能にした発光装置を提供することができる。

特許文献１の発光装置の構成を示す断面図である。 特許文献１の発光装置のＬＥＤを密に配置した場合に考えられる構成を示す断面図である。 実施の形態１の発光装置の斜視図である。 図４Ａは、実施の形態１の発光装置の平面図である。図４Ｂは、実施の形態１の発光装置の底面図である。 図４Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。 図６Ａは、図４Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。図６Ｂは、発光装置の側面図である。 図７Ａおよび図７Ｂは、光束制御ユニットの断面図である。図７Ｃは、光束制御部材の断面図である。 図４Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。 図９Ａおよび図９Ｂは、発光素子からの光の光路を示す図である。 実施の形態２の発光装置の斜視図である。 図１１Ａは、発光装置の平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。図１１Ｃは、図１１Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
［発光装置の構成］
図３は、実施の形態１の発光装置の斜視図である。図４Ａは、実施の形態１の発光装置の平面図である。図４Ｂは、実施の形態１の発光装置の底面図である。図５は、図４Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。図６Ａは、図４Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。図６Ｂは、実施の形態１の発光装置の側面図である。なお、図４Ｂでは、発光素子１１０を省略している。

図３および図５に示されるように、発光装置１００は、複数の発光素子１１０と、光束制御部材１２０とを有する。実施の形態１では、４個の発光素子１１０を有する発光装置１００を例にあげて説明する。

＜発光素子＞
発光素子１１０は、発光装置１００の光源であり、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。発光素子１１０は、図外の基板上に所定の間隔で規則的に配置されている。具体的には、発光素子１１０は、基板上において、正方形の四隅に対応する位置（マトリックス状）に配置されている。発光素子１１０の配置位置は、正方形の四隅に対応する位置に限定されず、例えば、直線上であってもよい。また、発光素子１１０の数も特に限定されず、複数個であれば２個、３個でもよく、５個以上であってもよい。基板の形状は、複数の発光素子１１０を配置することができれば特に限定されない。

＜光束制御部材＞
光束制御部材１２０は、各発光素子１１０の上に配置され、各発光素子１１０から出射された光の進行方向を制御する。光束制御部材１２０は、図外の支持部によって基板上に位置決めされている。光束制御部材１２０の材料は、所望の波長の光を通過させ得る透過性の高いものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材１２０の材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂である。光束制御部材１２０は、例えば射出成形により形成される。

図３〜図６に示されるように、光束制御部材１２０は、発光素子と同数の入射凹部１２１と、発光素子と同数の出射凹部１２２と、発光素子と同数の全反射面１２３とを有する。

光束制御部材１２０は、図７Ａに示される、入射凹部１２１、出射凹部１２２および全反射面１２３を含む光束制御ユニット１２４を４個有すると考えることができる。また、光束制御部材１２０は、図７Ｂおよび図７Ｃに示されるように、平面上に配置された各光束制御ユニット１２４を、各入射凹部１２１が各発光素子１１０と対向できるまで近づけた状態の形状ともいうこともできる（後述）。このとき、第１の光束制御ユニット１２４の全反射面１２３は、隣接する第２の光束制御ユニット１２４の全反射面１２３と交差する。図７Ｃに示されるように、２つの全反射面１２３の交線より上の部分は失われる。

なお、本明細書において「隣接する」とは、最も近接する光束制御ユニット１２４間の関係を示す語として用いる。たとえば、光束制御ユニット１２４がＸＹ平面上にマトリックス状に配置されている場合には、任意の光束制御ユニット１２４に対するＸ軸方方向またはＹ軸方向の最も近い光束制御ユニット１２４間の関係をいう。また、光束制御ユニット１２４が直線上に配置されている場合には、隣り合う光束制御ユニット１２４の関係をいう。光束制御ユニット１２４の配置位置は、正方形の四隅に対応する位置に限定されず、発光素子１１０の配置に対応して設定される。たとえば、発光素子１１０が直線上に配置されている場合には、光束制御ユニット１２４は直線上に配置される。また、光束制御ユニット１２４の数は、特に限定されず、発光素子１１０の数に対応して設定される。たとえば、光束制御ユニット１２４の数は、発光素子１１０の数に対応して、２個、３個でもよく、５個以上であってもよい。

図８は、隣接する２つの入射凹部１２１の中心軸ＣＡ１を通る、光束制御部材１２０の断面図（図５と同じ図）である。各入射凹部１２１は、対応する発光素子１１０から出射された光を光束制御部材１２０に入射させる。図５および図８に示されるように、入射凹部１２１は、光束制御部材１２０の下部１２６に、対応する発光素子１１０のそれぞれと対向して形成されている。入射凹部１２１は、内天面１２１ａと内側面１２１ｂとで囲まれている。内天面１２１ａは、入射凹部１２１の開口部側（発光素子１１０側）に向かって凸となるように略球面形状に形成されている。内側面１２１ｂは、内天面１２１ａ側の縁の内径寸法よりも開口縁側の内径寸法の方が大径となるように、内天面１２１ａ側から開口縁側に向かうに従って内径が漸増している。また、内天面１２１ａおよび内側面１２１ｂは、発光素子１１０の光軸ＬＡを中心軸とする回転対称面である。すなわち、発光素子１１０の中心軸ＬＡと入射凹部１２１の中心軸ＣＡ１は、一致している。

各出射凹部１２２は、入射凹部１２１から入射した光の一部および全反射面１２３で全反射された光の一部を出射する。図５および図８に示されるように、出射凹部１２２は、光束制御部材１２０の上部１２７に円筒形状に形成されている。出射凹部１２２は、内底面１２２ａと内側面１２２ｂとで囲まれている。また、内底面１２２ａおよび内側面１２２ｂは、光軸ＬＡを中心軸とする回転対称面である。すなわち、発光素子１１０の中心軸ＬＡと出射凹部１２２の中心軸ＣＡ２は、一致している。

全反射面１２３は、入射凹部１２１から入射した光の一部を上部１２７に向かって全反射させる。図５および図８に示されるように、全反射面１２３は、入射凹部１２１の周囲に位置しており、入射凹部１２１の開口部側から出射凹部１２２の開口部側に向かって延びる面である。全反射面１２３の外縁と出射凹部１２２の外縁との間には、フランジ１２５が設けられていてもよい。全反射面１２３は、発光素子１１０の光軸ＬＡを中心軸として、中心軸からの距離が漸次長くなるように形成された面である。すなわち、全反射面１２３の直径は、下部１２６側から上部１２７側に向けて漸増している。全反射面１２３を構成する母線は、例えば外側（光軸ＬＡから離れる側）に凸の円弧状曲線である。また、発光装置１００に求められる配光特性に応じて、全反射面１２３を構成する母線を直線とし、全反射面１２３をテーパー形状としてもよい。なお、「母線」とは、一般的に線織面を描く直線を意味するが、本発明では回転対称面である全反射面１２３を描くための曲線を含む語として用いる。

前述したように、光束制御部材１２０は、平面上に配置された各光束制御ユニット１２４を、全反射面１２３が接触するまで近づけた状態の形状ともいうことができる。そこで、図８を参照して、光束制御部材１２０における各光束制御ユニット１２４の位置関係について詳細に説明する。

図８に示されるように、隣接する第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の中心軸ＣＡ１を通る断面において、第１入射凹部１２１に対応する第１出射凹部１２２と第２入射凹部１２１’に対応する第２出射凹部１２２’との間隔をｄ１とする。また、第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１’との間隔をｄ２とする。この場合において、ｄ１＜ｄ２である。すなわち、少なくとも、出射凹部１２２（１２２’）の最大径は、入射凹部１２１（１２１’）の最大径より大きく形成されている。これにより、第１出射凹部１２２と第２出射凹部１２２’間の間隔が狭くなるため、隣接する光束制御ユニット１２４間の連接部分を薄肉とすることができる。また、出射凹部１２２（１２２’）の外周側の内側面１２２ｂ（１２２ｂ’）と全反射面１２３（１２３’）との間隔が短くなるため、光束制御部材１２０の外周部分も薄肉とすることができる。

一方、ｄ１≧ｄ２であった場合、隣接する光束制御ユニット１２４間の連接部分（ｄ１）が厚肉となってしまう。また、光束制御部材１２０の外周部分も厚肉となってしまう。すなわち、ｄ１＜ｄ２の関係式を満たさない限り厚肉部分ができてしまい、成形性が悪化するおそれがある。

また、図８に示されるように、隣接する第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の中心軸ＣＡ１を通る断面において、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の開口部からの第１出射凹部１２２および第２出射凹部１２２’の最小高さをｈ１とする。言い換えると、入射凹部１２１（１２１’）の開口部（光束制御部材１２０の下端）からの出射凹部１２２（１２２’）の内底面１２２ａの高さをｈ１とする。また、上記断面において、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１’の開口部からの第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１’との間に位置する全反射面１２３の最大高さをｈ２とする。言い換えると、入射凹部１２１（１２１’）の開口部（光束制御部材１２０の下端）からの互いに隣接する全反射面１２３（１２３’）の交線の最小高さをｈ２とする。この場合において、ｈ１＞ｈ２である。すなわち、少なくとも、光束制御部材１２０は、互いに隣接する全反射面１２３（１２３’）の交線の最小高さが、出射凹部１２２（１２２’）の内底面１２２ａ（１２２ａ’）より低くなるまで、光束制御ユニット１２４を近づけた状態となるように形成される。

一方、ｈ１≦ｈ２であった場合、発光素子１１０を密に配置することができない。すなわち、ｈ１＞ｈ２の関係式を満たさない限り、発光装置１００を省スペース化することができない。

次に、図９を参照して、発光素子１１０からの光の光路について説明する。図９Ａは、出射凹部を有さない光束制御部材１２０”における発光素子１１０からの光の光路図である。図９Ｂは、実施の形態１の光束制御部材１２０における発光素子１１０からの光の光路図である。

図９Ａに示されるように、出射凹部１２２が形成されていない光束制御部材１２０”では、内側面１２１ｂの下側から入射した光は、全反射面１２３で反射して光束制御部材１２０の天面から出射される。一方、内側面１２１ｂの上側から入射した光は、隣接する光束制御ユニット１２４の天面で反射して全反射面１２３から出射されてしまう。このように、出射凹部１２２が形成されていない光束制御部材１２０”では、内側面１２１ｂの上側から入射した光（内側面１２１ｂから入射し、全反射面１２３を経由せずに隣接する光束制御ユニット１２４の天面に向かう光）を、照射光として活用することができない。その結果、発光装置１００によって被照射面の所定範囲を有効に照射する光量が低下してしまう。

一方、図９Ｂに示されるように、実施の形態１における光束制御部材１２０（出射凹部１２２が形成されている）では、内側面１２１ｂの下側から入射した光は、全反射面１２３に反射して光束制御部材１２０の天面および内底面１２２ａから出射される。また、内側面１２１ｂの上側から入射した光には、内側面１２２ｂから出射され、被照射面の所定範囲を有効に証明することが可能な光が含まれる。このように、出射凹部１２２を有する光束制御部材１２０では、内側面１２１ｂの上側から入射した光も照射光として活用することができるため、発光装置１００によって被照射面の所定範囲を有効に照射する光量を増加させることができる。

また、出射凹部１２２を有する光束制御部材１２０では、光が光束制御部材１２０内を透過する距離が短くなるため、出射凹部１２２が形成されていない光束制御部材１２０”に比べて光束制御部材１２０による光の吸収も小さい。この点からも、出射凹部１２２を形成されている光束制御部材１２０は、発光装置１００の光量を増加させることができる。

［効果］
以上のように、本実施の形態の光束制御部材１２０では、隣接する２つの入射凹部１２１の中心軸を通る断面において、隣接する出射凹部１２２間の間隔が隣接する入射凹部１２１間の間隔より小さく形成されており、かつ、入射凹部１２１の開口部（光束制御部材１２０の下端）からの出射凹部１２２の内底面１２２ａの高さが入射凹部１２１の開口部（光束制御部材１２０の下端）からの全反射面１２３の交線の高さより高く形成されている。すなわち、光束制御部材１２０は、全体として肉厚部分がなく、薄肉部分で構成されているため、発光素子１１０が密に配置されている場合であっても、光束制御部材１２０の射出成形による成形性が良好である。

（実施の形態２）
［発光装置の構成］
図１０は、実施の形態２の発光装置の斜視図である。図１１Ａは、実施の形態２の発光装置の平面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示すＡ−Ａ線の断面図である。図１１Ｃは、図１１Ａに示すＢ−Ｂ線の断面図である。なお、図１１Ｂでは、発光素子１１０を省略している。

図１０に示されるように、発光装置２００は、複数の発光素子１１０と、光束制御部材２２０とを有する。実施の形態２の発光装置２００は、光束制御部材２２０の出射凹部の形状が実施の形態１の発光装置１００と異なる。そこで、実施の形態１の発光装置１００と同じ構成要素については同一の符番を付し、説明を省略する

＜光束制御部材＞
光束制御部材２２０は、発光素子と同数の入射凹部１２１と、出射凹部２２２と、発光素子と同数の全反射面１２３とを有する。実施の形態１と同様に、光束制御部材２２０は、入射凹部１２１、出射凹部２２２および全反射面１２３を含む光束制御ユニットを４個有すると考えることができる（図７参照）。また、図１１Ｂおよび図１１Ｃに示されるように、光束制御部材２２０は、平面上に配置された各光束制御ユニットを、全反射面１２３が交差するまで近づけた状態の形状ともいうこともできる。

出射凹部２２２は、入射凹部１２１に入射した光の一部および全反射面１２３で全反射された光を出射する。図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、隣接する第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１の中心軸ＣＡ１を通る断面（図１１ＡのＡ−Ａ断面）において、第１入射凹部１２１に対応する第１出射凹部２２２と第２入射凹部１２１に対応する第２出射凹部２２２との間隔をｄ１とする。また、第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１との間隔をｄ２とする。この場合、ｄ１＜ｄ２であり、かつｄ１＝０である。すなわち、実施の形態２では、光束制御部材ユニットの出射凹部２２２が、他の光束制御部材ユニットの出射凹部２２２と連接している。このように、隣接する光束制御ユニット間において、出射凹部２２２が一体として構成されているため、隣接する光束制御ユニット２２４間の厚肉部分を無くすことができる。

また、上記断面（図１１Ｂ参照）において、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１の開口部からの出射凹部２２２の最小高さをｈ１とし、第１入射凹部１２１および第２入射凹部１２１の開口部からの第１入射凹部１２１と第２入射凹部１２１との間に位置する全反射面１２３の最大高さをｈ２としたとき、ｈ１＞ｈ２である。すなわち、少なくとも、光束制御部材２２０は、隣接する全反射面１２３の交線の最小高さが、出射凹部２２２の内底面２２２ａより低くなるまで、光束制御ユニットを近づけた状態となるように形成される。これにより、発光素子１１０を密に配置することができる。

［効果］
実施の形態２の光束制御部材２２０は、実施の形態１の光束制御部材１２０と同様の効果を有する。また、実施の形態２の光束制御部材２２０では、隣接する出射凹部２２２間の隔壁を除去している（ｄ１＝０）ため、光束制御部材２２０を射出成形する際の金型の構造が簡素化される。このため、実施の形態２の光束制御部材２２０は、実施の形態１の光束制御部材１２０に比べて、成形を容易にすることができる。

本発明の発光装置は、例えばスポットライトなどとして有用である。

１００、２００ 発光装置
１１０ 発光素子
１２０、２２０ 光束制御部材
１２１ 入射凹部
１２１ａ 内天面
１２１ｂ 内側面
１２２、２２２ 出射凹部
１２２ａ、２２２ａ 内底面
１２２ｂ、２２２ｂ 内側面
１２３ 全反射面
１２４ 光束制御ユニット
１２５ フランジ
１２６ 下部
１２７ 上部

Claims (3)

1. 所定の間隔で規則的に配置された複数の発光素子から出射された光の進行方向を制御する光束制御部材であって、
   前記複数の発光素子のそれぞれと対向する位置に形成された複数の入射凹部と、
   前記入射凹部の反対側に、前記複数の入射凹部のそれぞれと対応して形成された複数の出射凹部と、
   前記複数の入射凹部のそれぞれの周囲に、前記入射凹部の開口部から前記出射凹部の開口部に向かって、前記発光素子の光軸を中心軸として、前記中心軸からの距離が漸次長くなるように形成された複数の全反射面と、を有し、
   隣接する第１入射凹部および第２入射凹部の中心軸を通る断面において、
   前記第１入射凹部に対応する第１出射凹部と前記第２入射凹部に対応する第２出射凹部との間隔をｄ１とし、前記第１入射凹部と前記第２入射凹部との間隔をｄ２とし、
   前記第１入射凹部および前記第２入射凹部の開口部からの前記第１出射凹部および前記第２出射凹部の最小高さをｈ１とし、前記第１入射凹部および前記第２入射凹部の開口部からの前記第１入射凹部と前記第２入射凹部との間に位置する全反射面の最大高さをｈ２としたときに、ｄ１＜ｄ２であり、かつｈ１＞ｈ２である、
   光束制御部材。
2. ｄ１＝０である、請求項１に記載の光束制御部材。
3. 複数の発光素子と、
   請求項１または２に記載の光束制御部材と、
   を有する、発光装置。

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