JP2014007135A

JP2014007135A - 照明装置

Info

Publication number: JP2014007135A
Application number: JP2012155018A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tabei; 達也田部井
Original assignee: Colcoat Co Ltd
Current assignee: Colcoat Co Ltd
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】発光ダイオードなどの小型の発光素子を使用した発光装置において、薄型で広い面積が発光し、高効率で、低価格の照明装置を実現する。
【解決手段】前方を主発光方向として配置されたＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源の前方にＬＥＤ発光中心とレンズ中心とがほぼ一致するようにレンズが配置された照明器具において、該レンズの前方中心付近には第一反射面が形成され、第一反射面の外周には屈折面群が断面鋸歯状に形成され、該レンズの後方中心には光入射面が形成され、入射面の外周には第二反射面群が断面鋸歯状に形成され、入射面からレンズ内に入射した光は第一反射面で反射され、第二反射面群で反射された後、屈折面群で屈折されてレンズ前方外部へと出射されるような光路設計がされており、第二反射面群と屈折面群とが一対一で光路的に対応するよう設計する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源とする照明装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を用い、照射光に指向性を持たせるためにＬＥＤ前方にレンズを配置した照明装置が、スポット照明、作業用照明、デスクライト、懐中電灯、車両用マップランプ、棚照明、信号灯、標識灯などの様々な分野で用いられている。ＬＥＤは小さな発光体であるために、指向性を持たせた照明装置がレンズと組み合わせて小型で実現しやすいという特徴がある。
ところで、照明装置の用途によっては、発光面積をある程度広くすることが望まれる。信号灯など照明装置を直視する用途においては、視認性の観点から、一定の面積が光るほうがよい。また、作業照明や商品陳列照明などにおいても、発光面積が小さいと輪郭のシャープな陰影が発生し、発光面積が大きくなるほど陰影の輪郭がぼやけるが、シャープな陰影は一般に目障りであり望まれないことが多い。特に、複数のＬＥＤを一定間隔でアレイ状に配列させる照明装置の場合、個々のＬＥＤに対応する小さな発光エリアが間隔を持って配列していると、それぞれの発光エリアからの陰影が何重にもずれて発生することになる。こうした現象はマルチシャドウと呼ばれるが、不自然な影が極めて目障りとなり作業者の集中力を邪魔したり、商品陳列においては影が騒々しくなり商品の魅力を減じさせたりするため、好ましくない。また同じ光束では発光面積が小さいほど発光エリアの輝度が高いため、直視した場合に眩しく感じられる。眩しさを減じる意味でも発光面積が広い方がよい。これらの理由により、一つのＬＥＤからの光を広い面積に広げて発光させるレンズへの要求がある。

発光面積を広くし、かつ指向性を付与するためにＬＥＤの前方に配置するレンズとしては、▲１▼凸レンズ、▲２▼凸フレネルレンズ、▲３▼本願明細書に従来技術として図８に示したような内部反射と屈折を併用する複合型レンズなどが従来より用いられている。▲１▼の凸レンズでは、一般的なランベルト（ｌａｍｂｅｒｔ）配光のＬＥＤを用いる場合、一部の発光しか集光して利用できず、光の利用効率が悪いという問題がある。▲２▼の凸フレネルレンズは▲１▼よりもレンズの肉厚を低減できるため、樹脂成形レンズでは低コスト化できるメリットがある。しかしながら現実的には、鋭角過ぎる金型加工は不可能、成形転写性の問題でシャープエッジが作れないといった加工上の制約があり、光の利用効率は▲１▼よりもさらに悪化する。また、▲１▼▲２▼とも、発光面積を広げるためにはＬＥＤとレンズとの距離を広くとる必要がある。このため、照明装置の厚さも発光面積と比例して増大してしまうという問題がある。
▲３▼のレンズでは光の利用効率という点では▲１▼▲２▼よりも高くできる利点がある。しかし、この原理のレンズで発光面積を広くするためには、レンズの高さを高くするしかなく、装置を薄型化できなくなる。
こうした状況から、薄型で広い発光面積を実現するためのレンズについて、下に挙げるようないくつかの考案がされている。

ＵＳ７，１５２，９８５Ｂ２特開２００５−４９３６７号公報特開２００７−４２４０１号公報

特許文献１で考案されているレンズは、形状を最適化することによって極めて指向性の高い光を薄型で広い面積から放射することができる。しかしながら、このレンズは反射面に蒸着やスパッタリングや湿式メッキなどの方法で反射膜を形成する必要があり、コストが高いという問題がある。

特許文献２では、屈折型フレネルレンズと反射型フレネルレンズを組み合わせたレンズを用いることが提案されている。このようなフレネルレンズでは確かに通常の屈折型フレネルレンズよりも薄型で（レンズと光源の距離を縮められ）光の利用効率を上げることもできる。しかしながら、一般的なランベルトに近い角度分布のＬＥＤを使用した場合、中心近くの輝度が極端に高く、外周部に向かうほど輝度が低くなるという問題がある。このため、眩しさを減じるという効果についても、陰影をぼやけさせるという意味でも充分な機能は果せない。

特許文献３では、液晶ディスプレイ装置のバックライトとして、本願に図９として記載した形状の導光板利用が提案されている。この導光板は薄型で広い面積から指向性の高い光を放射することを目的としたものである。しかしながら、後述するが、このように真横方向へと光を反射させる反射面を形成するためには、導光板の板厚を極端に厚いものにせざるを得ず、薄型にはならないという問題がある。

なお、一般的に、多数の内部反射によって長い光路で光を伝達させた光学部品を「導光体」または「導光板」と呼び、図８のように内部反射が１回までで集光機能を持たせる光学部品については「レンズ」と呼ばれることが多いようである。本願発明の光学部品は、内部反射が２回までの光を主に利用し集光する機能を持つため、導光板とレンズの中間的なものと考えられるが、ここではレンズと呼ぶこととする。

本発明は、上記のような状況を鑑み、ＬＥＤの前方に、光の反射と屈折を精密にコントロールして利用する形状を有したレンズを配置することにより、中心付近から外周部までの広い面積が比較的均等な輝度で発光し、薄型で指向性を持った光を照射できる安価な照明装置を提供することを目的としたものである。

本発明は図１に示すような構成を基本的な特徴とするレンズとＬＥＤからなる照明装置である。
即ち本発明は、前方を主発光方向として配置されたＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源の前方にＬＥＤ発光中心とレンズ中心とが重なるようにレンズが配置された照明器具であって、該レンズの前方（出光面）中心付近には第一反射面が形成され、第一反射面の外周には屈折面群が断面鋸歯状に形成され、該レンズの後方（後面）中心にはＬＥＤ光源からの光入射面が形成され、入射面の外周には第二反射面群が断面鋸歯状に形成され、入射面からレンズ内に入射した光は第一反射面で反射された後、第二反射面群で反射された後、屈折面群で屈折されてレンズ前方外部へと出射されるような光路設計がされており、第二反射面群と屈折面群とが一対一で光路的に対応するよう設計されていることを特徴とする照明器具である。

ＬＥＤ光源の発光前面に配置するレンズの光反射と屈折を精密にコントロールすることにより、レンズの中心付近から外周部までの広い面積を均等な輝度で発光し、薄型で指向性を持った光を照射できる安価な照明装置を供給できる。

本発明の照明装置のレンズの平面図と断面図本発明の実施例と光路を説明する断面図第二反射面と屈折面との機能を説明する断面拡大図従来技術例の構造と光路を説明する断面図本発明のレンズの発展例を説明する断面図本発明の実施例と光路を説明する断面図本発明の実施例を説明する前面図従来技術例の構造と光路を説明する図従来技術例の構造と光路を説明する図

図１（ａ）はレンズ中心にＬＥＤをおき、レンズの出光面側（前方）から見た平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。ＬＥＤ１の前方には、回転対象体であるレンズ２が、その回転中心をＬＥＤ１の発光中心と重なるように配置されている。レンズの前方は湾曲した第一反射面６となっており、その外側に複数の屈折面５が断面鋸歯状で円環状に配置されている。一方、レンズ後方には複数の第二反射面４が断面鋸歯状に円環状に配置されている。

図２は、このレンズ内に入射して出射されるまでの光路を示した断面図である。（以降、断面図は簡略化のために片半分のみを示す。）入射面３からレンズ内に入射した光はレンズ前方中心付近に配置された第一反射面６で外周方向へと反射される。外周方向へと伝播された光は、第二反射面群４で反射された後、屈折面群５で屈折してレンズ前方外部へと出射され照明光となる。
本発明のレンズの第一反射面と第二反射面については、特許文献３のレンズ構造と類似している。しかし本特許のレンズが大きく異なる点は、レンズ前方に屈折面群が断面鋸歯状に形成されており、個々の第二反射面と一対一で対応した屈折面を介して光が出射されることである。

図３に、一対の第二反射面４と屈折面５での光の挙動を説明するため、図２における断面Ｂ部を拡大した図を示す。第一反射面から反射してきた光７は、第二反射面４の斜め前方へと鏡面反射され反射光８となる。反射光８はさらに屈折面５によって屈折されて前方へと出射されて照明光１０となる。ここで第二反射面４への入射角をαとするとき、反射光８の反射角もαとなる。αが臨界角より小さくなると、図３（ｂ）で示すように、反射せずに裏面側へと出射されてしまう漏れ光９が発生するため、光の利用効率が低下して望ましくない。第二反射面は漏れ光９がほとんど発生しない角度に設定されている。全反射する角度は光の波長と材質によって変わるが、アクリル樹脂の場合、概ね４３度である。屈折面５は、反射光８を正面方向へと屈折させるように位置と角度が設定されている。このように設定することにより、本発明のレンズでは高い効率で正面方向に集光した照明光を出射させることが可能となる。

特許文献３（図９）で記載されているところの「２次曲面１６」が本発明の「第一反射面」と類似した機能／構造を有し、「プリズム状のグルーブ１２」が本発明での第二反射面と類似した構造／機能を有している。だが、特許文献３の「プリズム状のグルーブ」では、直接的に正面方向へと光を反射させて出射させている。上述した臨界角の原理により、このように正面方向へと効率的に反射させるためには、プリズム状のグルーブの角度αは約４５度であり、入射角度は約４５度の場合に限られる。このため、「２次曲面１６」は真横外周方向に向かって反射されるようにする必要がある。このように反射する２次曲面を形成しようとすると、レンズの高さＨが高くなってしまい、照明器具の薄型化には限界があることが図４からわかる。また、レンズをインジェクション成形で製造する場合、肉厚が厚いために長い冷却時間が必用となり、レンズの製造コストが高くなるという欠点を有する。これに対して本発明の第一反射面６では、図２で示されるように、大半の入射光を斜め後方に向かって反射する形状となっている。このため本発明のレンズでは薄型とすることが可能となる。すなわち、本発明のレンズを特許文献３のレンズ（該特許では導光板と記載）と比較すると、第二反射面と一対一で対応する屈折面を形成することによって、より薄く径の大きな形状でも正面方向に集光させた照明光を高い効率で出射できる。

図５は、本発明のレンズの発展例の構造を示した図である。図５の構造においては、レンズ後面でかつ第二反射面群４よりもレンズ中心寄りに第三反射面群１１が追加して円環状に形成されている。第一反射面６で反射された光の一部にはほぼ真横外周方向に反射された光も存在するが、これらは第三反射面に到達して前方に反射される。反射された光は、鋸歯状の屈折面では無く、第一反射面の領域から出射されている。このような構造とすることによって、中心付近からも光を正面方向へと出射させることが可能となり、出射面積をさらに広げることができるという利点を持つことになる。

図６は、本発明の別の実施例の構造を示した図である。図６の構造においては、ＬＥＤ光源の側方を取り巻くように第二入射面１２が形成されており、レンズ後方（後面）かつ第二反射面４群よりも内周側には第四反射面１３群が断面鋸歯上で円環状に形成されている。第二入射面１２からレンズ内に入射した光は第四反射面１３群で反射されてレンズ前方外部へと出射される。このような構造は特に、発光部に半球状のレンズを形成したＬＥＤとの組み合わせにおいて好適である。このようなＬＥＤにおいては、半球状レンズの側面も発光するため、図２や図５のようにＬＥＤ前方のみに入射面が配置されている構造では横方向への発光が有効に利用できない。これに対して図６の構造では横方向への発光も有効に利用できる。また、図６の構造においては、レンズ中心付近からも照明光を出射することができるため、図２の構造よりも出射面積を広げることができるという利点もあわせ持つ。発光部がフラットで前方のみに発光するＬＥＤを使用する場合でも、図６のような構造のレンズを用いても良い。ただし、正面方向に出射させる効率としては図２や図５のような構造よりは不利となる。
さらに、第四反射面群の外周に第三反射面を合わせて形成する構造も適宜可能である。すなわち、第一反射面６で反射されほぼ真横外周方向に反射された光が第三反射面に到達して前方に反射され、第一反射面の領域から出射される。

出射角度を適度に広げて配光角度を広げたい場合には、屈折面、第一反射面、第二反射面のいずれか、または複数の反射面に微小で緩やかな凹凸（マット）を形成することにより可能となる。また、直視したときのギラツキ感を低減させる上でもこれは効果的である。さらに同じ目的のためにレンズの前方に光を拡散させる拡散板を配置しても良い。照明器具のカバーに光拡散機能を併せ持たせることも好適である。

本発明で使用されるレンズ前方からみたときの形状は、円形に限られるものではなく、楕円形としてもよい。回転対称体の円形レンズでは法線上に焦点を結んでしまうため、法線上が極端に明るい配光特性となる。これに対して、楕円形とすることにより対称が崩れて焦点が無くなるため、配光を適度に広げることが可能となる。

これまでの説明は、一個のＬＥＤと一個のレンズとを使用した照明装置について行ってきたが、本発明の照明装置は多数のＬＥＤをアレイ状に配列させ、個々のＬＥＤに対応するレンズ形状をＬＥＤ前方に配列させたものとすることが可能である。この際、複数のレンズ形状を一体型とすることで部品コストと組み立てコストを削減することができる。図７は一例として７個のＬＥＤを使用した場合のレンズ配列を前面から見た図である。

本発明で使用されるＬＥＤは、一般的な照明として用いる場合には白色が好ましいが、特にこれに限定されるものではない。たとえば、赤、青、緑などの多色の発光ダイオードチップを一つのパッケージに収めたものを使用することで多色の照明装置とすることも可能である。ＬＥＤ光源は点滅させて演出効果を持たせることも可能であり、さらに多色のＬＥＤ光源を使用する場合には、照明装置による様々な演出が可能となる。

本発明で用いられるレンズは、射出成形法（溶融させた樹脂を金型内に充填させる方法）、により安価に量産できる。材質としては、透明性の高い熱可塑性樹脂が好ましく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂などが用いられる。

本発明の照明装置は、スポット照明、作業用照明、デスクライト、懐中電灯など種々の分野で、薄型で小型・安価な照明装置として利用することが出来る。

１．ＬＥＤ
２．レンズ
３．入射面
４．第二反射面（群）
５．屈折面（群）
６．第一反射面
７．第一反射面から反射してきた光
８．第二反射面で反射された光
９．第二反射面からの後方に出射される漏れ光
１０．照明光
１１．第三反射面（群）
１２．第二入射面
１３．第四反射面（郡）

Claims

前方を主発光方向として配置されたＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源の前方にＬＥＤ発光中心とレンズ中心とが重なるようにレンズが配置された照明器具であって、該レンズの前方（出光面）中心付近には第一反射面が形成され、第一反射面の外周には屈折面群が断面鋸歯状に形成され、該レンズの後方（後面）中心にはＬＥＤ光源からの光入射面が形成され、入射面の外周には第二反射面群が断面鋸歯状に形成され、入射面からレンズ内に入射した光は第一反射面で反射された後、第二反射面群で反射された後、屈折面群で屈折されてレンズ前方外部へと出射されるような光路設計がされており、第二反射面群と屈折面群とが一対一で光路的に対応するよう設計されていることを特徴とする照明器具。
請求項１において、レンズの後面に、第二反射面群よりもレンズの中心寄りに第三反射面群が円環状に追加形成されており、第一反射面からレンズの外周方向に反射された反射光の一部が該第三反射面群で反射し、その反射光は屈折面群を経由しないで前方外部に出射されるような光路設計となっている請求項１の照明器具。
請求項１の入射面の外周であり、ＬＥＤ光源の側方を取り巻くように第二光入射面を形成され、レンズの後面でかつ第二反射面群よりも中心寄りに第四反射面群が断面鋸歯状で円環状に形成され、第二光入射面からの入射光の大部分は第四反射面群で反射され、その反射光は屈折面群を経由しないでレンズ前方外部に出射されるような光路設計となっている請求項１または２の照明器具。