JP2014115506A - レンズ体及び光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化で成形加工をし易く、また、投光面の輝度が均一化するレンズ体を提供する。
【解決手段】レンズ体２０は、底面２０ａと、外側側面２０ｂと、上面２０ｃとを有する。またレンズ体２０は、底面２０ａに周状に形成された環状溝２２と、環状溝２２に対向するように周状に形成された環状凹部２５と、光の出射面となる投光面２４ａと、外側側面２０ｂにおける透過材料の側の反射面である外側全反射２３と、環状溝２２と環状凹部２５との内周側の側面をなす周状の内側側面２０ｄと、内側側面２０ｄにおける透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する内側全反射面２６とを備えた。この構成により、レンズ体２０は、小型化で成形加工をし易く、また、投光面の輝度が均一化する。
【選択図】図２

Description

この発明は、ＬＥＤチップを覆うレンズ体及びこのレンズ体を用いた光源ユニットに関する。

従来技術には、円環状のレンズ本体２ｃ、このレンズ本体の底面２ａに形成された環状溝２ｄ、このレンズ本体の少なくとも外周側の内側面に形成されてこの内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面２ｃ２を有する円環状レンズ２とこの円環状レンズの環状溝に光学的に対向配置されてこの環状溝の周方向に所要の間隔を置いて配置された複数の発光ダイオード装置３，３，３…とを具備する発光ダイオード照明装置がある（例えば、特許文献１）。

また、従来技術（特許文献２）では、レンズ３４０は、ＬＥＤ３２１からの光を取り込む入光凹部３４１と、中央近傍の一部が凹状に窪んだ出射凹部３４３を有する。またレンズ３４０は、入光凹部３４１から取り込こんだ光を出射する出射面３４２と、入光凹部３４１と出射面３４２をつなぎ、入光凹部３４１から取り込こんだ光をＬＥＤ３２１の光軸Ｌに対して平行な方向から離れる向きにずれた角度の光の強度が最大となる強度分布Ｐｒ、Ｐｌとなるように出射面３４２側に反射する反射面３４４とを備える。このためレンズ３４０は、ＬＥＤ３２１から反射面３４４に到達した光が光軸Ｌから離れる向きに反射するので、反射面３４４で反射した光のうち、出射凹部３４３に向かう光が少なくなるため、出射凹部３４３の径をより大きくする。

特開２００９−９９２６号公報 特開２０１１−１８７１６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発光ダイオード照明装置は、環状に形成されたレンズ体の中央は光学制御されていないため、レンズ体の発光面と比較して暗くなる、あるいは明るくなるため、輝度差によるグレアが強調される恐れがあった。

また、このグレアを解消するために投光面を平面にするとともにレンズ体を大型化して、投光面を均一にする方法も考えられるが、肉厚部分が多くなり樹脂成形時の乾燥に時間がかかったり、ヒケやボイドが発生したりするという課題があった。

また、レンズ成形を改善する方法として、特許文献２に記載の照明装置があるが、このレンズは一つのＬＥＤに対応するものであって、複数のＬＥＤには対応していなかった。

本発明は、レンズ体を小型化して成形加工をし易くするとともに、投光面の輝度を均一化する手段の提供を目的とする。

この発明のレンズ体は、
底面と、周囲にわたる外側の側面である外側側面と、上面とを有し、光を透過する透過材料を主成分とするレンズ体において、
前記底面に周状に形成された下側溝と、
前記下側溝の上側に、前記下側溝に対向するように前記透過材料を介して前記上面に周状に形成された上側溝と、
前記上面における前記上側溝の形成された残りの平面のうちの少なくとも一部の平面であって光の出射面となる投光面と、
前記外側側面における前記透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する第１の反射面と、
前記底面から前記上面の方向にわたり前記下側溝と前記上側溝との内周側の側面をなす周状の内側側面と、
前記内側側面における前記透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する第２の反射面と
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レンズ体を小型化して成形加工をし易くするとともに、投光面の輝度を均一化することができる。

実施の形態１の光源ユニット１００の斜視図。 図１の光源ユニット１００のＡ−Ａ断面を示す断面斜視図。 図１の光源ユニット１００を構成する光源モジュール１０とレンズ体２０の斜視図。 図２の光源ユニット１００の部品断面を模式的に示す部品断面図。 図４の光源ユニット１００の部品を組み合わせた状態を示す断面図。 図５に上面図（ａ）を追加した図。 図５の光源ユニット１００の光の動きを示す断面図。 実施の形態１の他の光源ユニット１００−１の構成を示す断面図。 図８に上面図（ａ）を追加した図。 実施の形態１の他の光源ユニット１００−２を示す断面図。 実施の形態１の他の光源ユニット１００−３を示す図。

実施の形態１．
まず図１〜図６を参照して、実施の形態１の光源ユニット１００の構成を説明する。図１は、実施の形態１を示す照明器具用の光源ユニット１００の斜視図であり、図２は、図１の光源ユニット１００のＡ−Ａ断面を示す断面斜視図であり、図３は、図１の光源ユニット１００を構成する部品の斜視図（（ａ）は光源モジュール１０、（ｂ）はレンズ体２０の斜視図）である。図１〜図３において、レンズ体２０は透明であるが、かくれ線（透明なので実際には透過して見える線）は破線で示している。また、図４は、図２の光源ユニット１００の部品断面を模式的に示す部品断面図であり、図５は、図４の光源ユニット１００の光源モジュール１０，レンズ体２０を組み合わせた状態を示す断面図である。図６は図５に上面図（ａ）を追加した図である。

（光源ユニット１００の構成）
光源ユニット１００は、図１に示すように、光源モジュール１０と、光源モジュール１０の発光面側に設置されるレンズ体２０とを備えている。

（光源モジュール１０）
光源モジュール１０（ＬＥＤ基板）は図４（ａ）に示すように、平面状のプリント基板１１と、プリント基板１１に実装された複数のＬＥＤチップ１２を備えている。なお光源モジュール１０のＬＥＤチップ１２の配置は、後述する環状溝２２の形状に沿って配置されている。

プリント基板１１には図３（ａ）に示すように、２重のリング状に形成される土手部１１ａ、１１ｂが形成され、土手部１１ａ、１１ｂの間には、ＬＥＤチップ１２が実装された後に流し込まれ、蛍光体が練りこまれた硬化性の封止材１１ｃ（図４（ａ））が盛られている。

（レンズ体２０）
レンズ体２０は、光を透過する透過材料を主成分とする。図２、図４等に示すように、レンズ体２０は、底面２０ａと、周囲にわたる外側の側面である外側側面２０ｂと、上面２０ｃと、内側側面２０ｄとを有する。レンズ体２０は、図２に示すように、円周形状である環状凹部２５の中心２５−１を通る仮想の中心軸２１の回りにレンズ断面２０ｅが回転してできる回転体形状である。図２、図４（ｂ）のように内側側面２０ｄは、底面２０ａから上面２０ｃの方向にわたり環状溝２２（後述する）と環状凹部２５（後述する）との内周側の側面をなす周状の側面である。またレンズ体２０は、環状溝２２（下側溝）、外側全反射面２３（第１の反射面）、投光部２４（投光面）、環状凹部２５（上側溝）、内側全反射面２６（第２の反射面）が形成されている。
（１）環状溝２２は、底面２０ａに周状（図１等では円周形状）に形成された溝である。
（２）外側全反射面２３は、外側側面２０ｂにおける透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する反射面である。つまり外側全反射面２３は、外側側面２０ｂにおいて透過材料と大気との境界おける透過材料によって形成される反射面である。
外側全反射面２３は、自身に入射した入射光を投光面２４ａ（後述）に向けて全反射させる。なお、全反射が好ましいが、反射は必ずしも全反射でなくてもよい。
（３）投光部２４は、レンズ体２０の上面ｃに形成される平坦部（図３（ｂ）、図４）であり、その表面から光が出射する。投光部２４の表面を投光面２４ａと呼ぶこととする。なお投光部２４は、上面２０ｃにおける環状凹部２５の形成された残りの平面のうちの少なくとも一部の平面である。
（４）環状凹部２５は、環状溝２２の上側に、環状溝２２に対向するように透過材料を介して上面２０ｃに周状（図１等では円周形状）に形成された底面２０ａの方向に凹む溝である。
（５）内側全反射面２６は、内側側面２０ｄにおける透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する反射面である。つまり内側全反射面２６は、内側側面２０ｄにおいて透過材料と大気との境界おける透過材料によって形成される反射面である。内側全反射面２６は、自身に入射した入射光を投光面２４ａに向けて全反射させる。なお、全反射が好ましいが、反射は必ずしも全反射でなくてもよい。

（円錐形状２０ｆ）
なお、レンズ体２０は上記のように中心軸２１（図２）回りに回転してできた回転体形状をなしているが、図２あるいは図１に示すように、中心軸２１のまわりは略円錐形状２０ｆにくり抜かれており、このくり抜かれた部分が内側側面２０ｄを形成している。

（環状溝２２）
図４に示すように、環状溝２２は下側から上側に向かって凹状に窪んだ環形状である。環状溝２２は、環状をなす溝における側壁部２２ａ（外周側）、２２ｂ（内周側）と、ＬＥＤチップ１２に対向する面（天井面）に形成される環状溝凸部２２ｃにより形成される。環状溝凸部２２ｃは、ＬＥＤチップ１２に面する方向に凸となる凸形状をなし（下に凸）、曲面を形成している。つまり環状溝凸部２２ｃは、凸レンズの表面形状である。この凸レンズの曲面を形成することにより、ＬＥＤチップ１２が照射した光を環状溝凸部２２ｃから入射すると、この入射光を内側方向（集光する方向）、つまり図４の基準線２２ｃ−１に近づく方向に屈折させることができる（図７で後述する）。

（環状凹部２５）
環状凹部２５の底２５ａは、図４に示すように、投光面２４ａの方向に突出し、曲面を形成している。つまり底２５ａは、上に凸となる凸形状である。底２５ａを上に凸の曲面として形成することにより、環状溝２２で集光された光を拡散（発散）させる方向（基準線２２ｃ−１から離れる方向）に屈折させて、出射させることができ、配光制御（配光設計）がし易くなる。

このように、レンズ体２０に環状溝２２（下側溝）、環状凹部２５（上側溝）を形成することによって、レンズ本体２１の厚さを均斉化することができる。この均斉化によって、レンズ体２０の材料となる樹脂での成形時に樹脂の流れがよくなり、また、樹脂の硬化時間も均斉化する。よって、レンズ体２０を成形する際、ヒケやボイドが発生する恐れがすくなくなる。

（レンズ体２０による光制御）
次に、本実施の形態の光源ユニット１００の光制御について説明する。図７は、図５の光源ユニット１００の光の動きを示す断面図である。

光源モジュール１０（ＬＥＤチップ１２）から発せられた光は、環状溝２２からレンズ体２０の内部に入射する。
（１）環状溝２２の壁部２２ａ（中心軸２１に対して外周側）から入射した光は、外側全反射面２３によって全反射して投光部２４に導かれ、投光部２４の投光面２４ａから外部空間へ出射される。
（２）また、環状溝凸部２２ｃ（中央部分）から入射した光は、そのまま投光部２４（投光面２４ａ）からレンズ体２０の外へ出射されるか、環状凹部２５の底２５ａの凸面から出射される。
（３）さらに、環状溝２２の環状側壁部２２ｂ（中心軸２１に対して内周側）から入射した光は、内側全反射面２６によって全反射して投光部２４に導かれ、投光部２４（投光面２４ａ）からレンズ体２０の外へ出射される。

この際、内側全反射面２６どうしが隣り合っているので、つまり、それぞれの内側全反射面２６（図７の内側全反射面２６−１、２６−２）によって全反射された光が、投光部２４から出射される際、連続した光となって看者に見える。したがって、投光部２４の投光面の輝度差が小さくなり、輝度むらを抑えることができる。看者がレンズ体２０を見たときに、投光面２４ａに発生する明暗によってグレア感が強調されることがあるが、このように投光面２４ａの輝度むらを抑えることによって、グレア感を抑えることができ、光の品質を向上させることができる。

（他の構造例）
この実施の形態１では、レンズ体２０の環状溝が一重の場合について説明したが、図８、図９のように、環状溝を二重の構造にしても構わない。図８は環状溝を二重構造とし光源ユニット１００−１の構成を示すＡ−Ａ断面（図９）であり、図９は図８（ｃ）に上面図（ａ）を追加した図である。図８（ａ）は光源モジュール１０−１のＡ−Ａ断面を示す。図８（ｂ）はレンズ体２０−１のＡ−Ａ断面を示す。図８（ｃ）は光源ユニット１００−１のＡ−Ａ断面（図９）を示す。図８（ｃ）に示すように、光源ユニット１００−１は、レンズ体２０−１と光源モジュール１０−１とを備える。光源ユニット１００−１は、その中央部分に光源ユニット１００の構成を有し、その外周側に光源ユニット１００の直径φＤ１を直径φＤ２に変更して円環形状にした光源ユニット１００−１−１を追加した構造である。これを図８（ｂ）のレンズ体２０−１でみれば、レンズ体２０−１は、その中央部分にレンズ体２０の構成を有し、その外周側にレンズ体２０の直径φＤ１を直径φＤ２に変更して円環形状にしたレンズ体２０−１−１を追加した構造である。またこれを図８（ａ）の光源モジュール１０−１でみれば、光源モジュール１０−１は、その中央部分に光源モジュール１０の構成を有し、その外周側に光源モジュール１０の直径φＤ１を直径φＤ２に変更して円環形状にした光源モジュール１０−１−１を追加した構造である。

図１０に示す光源ユニット１００−２ように、環状溝を三重構造にしてもよい。あるいは四重構造以上でも良いことはもちろんである。図１０の光源ユニット１００−２は、その中央部分に光源ユニット１００−１（二重構造）の構成を有し、その外周側に光源ユニット１００の直径φＤ１を直径φＤ３に変更して円環形状にした光源ユニット１０−２−１を追加した構造である。光源ユニット１００−１が二重構造であるのに対して、光源ユニット１００−２は三重構造である。なお光源モジュール１０の外周形状は発光側の面にレンズ体２０−１が配置できればよいので、その他はレンズ体２０−１には依存しない。これはいずれの光源モジュールについてもいえることである。

図１１は、光源ユニット１００−３の構造を示す図である。光源ユニットの形状は、光源ユニット１００−３のように、φＤ１が大きく、円錐形状２０ｆを持たない形状でも構わない。つまり図１１の光源ユニット１００−３は図６に示す光源ユニット１００にたいしてφＤ１が大きく、円錐形状２０ｆを持たない形状である。

なお、図１〜図１１では、環状溝２２、環状凹部２５が円周形状の場合を説明したが、一例ある。例えば楕円形状、四角形状、三角形状など、任意の形状で構わない。この場合、当然に光源モジュール１０のＬＥＤチップ１２は、任意の形状の環状溝２２の形状に沿って配置されている。このように、レンズ体は、底面２０ａと、外側側面２０ｂと、上面２０ｃとを有し、光を透過する透過材料を主成分とする。そして、レンズ体は、底面２０ａに周状に形成された環状溝２２と、環状溝２２の上側に、環状溝２２に対向するように透過材料を介して上面に周状に形成された環状凹部２５と、上面２０ｃにおける環状凹部２５の形成された残りの平面のうちの少なくとも一部の平面であって光の出射面となる投光面２４ａと、外側側面２０ｂにおける透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する外側全反射面２３と、底面２０ａから上面２０ｃの方向にわたり環状溝２２と環状凹部２５との内周側の側面をなす周状の内側側面２０ｄと、内側側面２０ｄにおける透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する内側全反射面２６とを備えていればよい。

以上、図１〜図１１のような構造にすることによって、レンズ体２０の高さを高くしなくても、環状溝２２に対応するＬＥＤチップの配光を制御することができると共に、投光面２４ａの輝度を均一化することができる。また、レンズ体２０の樹脂の厚みを均斉化することができるので、レンズ体２０の成形時に樹脂を流しやすくなる。また、樹脂の硬化速度の調整がし易くなるので、ヒケやボイドなどが成形時に発生し難くすることができる。

なお、本実施の形態１の光源ユニット１００、１００−１，１００−２，１００−３は、スポットライト、ダウンライト、天井直付け灯などさまざまな形態の照明器具に適用できる。

１００ 光源ユニット、１００−１，１００−２，１００−３ 光源ユニット、１０ 光源モジュール、１１ プリント基板、１１ａ，１１ｂ 土手部、１１ｃ 封止材、１２ ＬＥＤチップ、２０ レンズ体、２０ａ 底面、２０ｂ 外側側面、２０ｃ 上面、２０ｄ 内側側面、２２ 環状溝、２２ａ，２２ｂ 環状溝側壁部、２２ｃ 環状溝凸部、２３ 外側全反射面、２４ 投光部、２５ 環状凹部、２５ａ 底、２６ 内側全反射面。

Claims (7)

1. 底面と、周囲にわたる外側の側面である外側側面と、上面とを有し、光を透過する透過材料を主成分とするレンズ体において、
   前記底面に周状に形成された下側溝と、
   前記下側溝の上側に、前記下側溝に対向するように前記透過材料を介して前記上面に周状に形成された上側溝と、
   前記上面における前記上側溝の形成された残りの平面のうちの少なくとも一部の平面であって光の出射面となる投光面と、
   前記外側側面における前記透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する第１の反射面と、
   前記底面から前記上面の方向にわたり前記下側溝と前記上側溝との内周側の側面をなす周状の内側側面と、
   前記内側側面における前記透過材料の側の反射面であって入射した光を反射する第２の反射面と
   を備えたことを特徴とするレンズ体。
2. 前記上側溝は、
   底が前記上面の方向に凸となる凸形状であり、
   前記下側溝は、
   天井面が前記底面の方向に凸となる凸形状である
   ことを特徴とする請求項１記載のレンズ体。
3. 前記第１の反射面と、前記第２の反射面とは、
   入射した光を全反射することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレンズ体。
4. 前記下側溝と、前記上側溝とは、
   いずれも円周形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレンズ体。
5. 前記レンズ体は、
   前記上面から前記底面に向かう仮想の中心軸であって、円周形状である前記上側溝の中心を通る仮想の中心軸の回りに回転してできる回転体の形状であることを特徴とする請求項４記載のレンズ体。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ体と、
   複数のＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板と
   を備えた光源ユニットであって、
   前記ＬＥＤ基板は、
   複数のＬＥＤが周状である前記下側溝の周形状に対応して周状に配置され、
   前記レンズ体は、
   周状に配置された前記ＬＥＤを前記下側溝で覆うように前記ＬＥＤ基板に設置されることを特徴とする光源ユニット。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載のレンズ体における前記第１の反射面と、前記第２の反射面とは、
   前記ＬＥＤの発した光を入射すると、前記投光面に向けて全反射することを特徴とする請求項６記載の光源ユニット。

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