JP2014120296A

JP2014120296A - 照明装置、ランプ装置およびレンズ

Info

Publication number: JP2014120296A
Application number: JP2012273944A
Authority: JP
Inventors: Kozo Ogawa; 光三小川
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-30
Also published as: EP2743569A1; CN103868020A

Abstract

【課題】効率および中心光度を損なうことなく発光部の色むらおよび照度むらを抑制できるランプ装置を提供する。
【解決手段】発光部42は、ＬＥＤチップ47およびＬＥＤチップ47を覆いＬＥＤチップ47からの発光により励起される封止樹脂48を有する。基板は、発光部42が一面に実装されている。レンズ本体部55は、光を出射させる出射部61、および、この出射部61と一体に設けられた配光部62を備える。配光部62は、外面が光を出射部61へと反射させる反射面66を構成する。入射凹部56は、レンズ面68、および、入射側面69を備え、レンズ本体部55の配光部62に凹設されている。レンズ面68は、発光部42と対向しこの発光部42からの光を出射部61へと導く。入射側面69は、レンズ面68の周囲に位置し互いに隣接する平面状の複数の入射平面部71により構成され発光部42からの光を配光部62の反射面66へと導く。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レンズ本体部に凹設された入射凹部を備えたレンズを備えた照明装置、これを有するランプ装置、および、レンズに関する。

従来、この種のＬＥＤ照明装置としてのＬＥＤ電球は、光源であるＬＥＤを実装した基板がベース部材に配置されているとともに、この基板上に、ＬＥＤの配光を制御するレンズが配置されている。

そして、ＬＥＤは、特に白色光を発光するものの場合、一般に青色光を発光する発光素子であるＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを覆って封止する樹脂部とにより構成され、この樹脂部に、ＬＥＤチップの発光によって励起される黄色の蛍光体が含まれている。このような構成の場合、樹脂部はＬＥＤチップよりも広い面積に配置されるため、ＬＥＤチップに対向する位置と、周縁近傍の位置とで、色むらや照度むらが発生し、その結果、レンズ及び照射面においても色むらや照度むらが発生する。

このような色むらや照度むらの対策として、レンズ表面にしぼ加工を施すことが考えられるものの、このようなしぼ加工は、レンズの量産に伴う成形型の微妙な変形などによって形状が変化し、特性を制御することが容易でなく、性能が安定しにくい。

特表２０１２−５１４８４２号公報特表２０１２−５１４８４３号公報特表２０１２−５１４８４４号公報

上述したように、効率および中心光度を損なうことなくＬＥＤの色むらおよび照度むらを確実に抑制できるレンズが望まれている。

本発明が解決しようとする課題は、効率および中心光度を損なうことなく光源の色むらおよび照度むらを抑制できる照明装置、これを有するランプ装置、および、レンズを提供することである。

実施形態の照明装置は、発光モジュールと、レンズとを具備する。発光モジュールは、光源と、基板とを備える。光源は、発光素子およびこの発光素子を覆いこの発光素子からの発光により励起される蛍光部を有する。基板は、光源が一面に実装されている。レンズは、透光性を有する部材により形成されたレンズ本体部と、入射凹部とを備える。レンズ本体部は、光を出射させる出射部、および、この出射部と一体に設けられた配光部を備える。配光部は、外面が光を出射部へと反射させる反射面を構成する。また、入射凹部は、レンズ面、および、入射側面を備え、レンズ本体部の配光部に凹設されている。レンズ面は、光源と対向しこの光源からの光を出射部へと導く。入射側面は、レンズ面の周囲に位置し互いに隣接する平面状の複数の入射平面部により構成され光源からの光を配光部の反射面へと導く。

本発明によれば、効率および中心光度を損なうことなく光源の色むらおよび照度むらを抑制することが期待できる。

第１の実施形態のレンズの一部を示す断面図である。同上レンズの一部を光軸方向から示す平面図である。同上レンズを備えた照明装置を示す断面図である。同上照明装置を示す斜視図である。 (a)は入射側面の入射平面部による分割数と円筒状の入射側面に対する中心光度比との関係を示すグラフ、(b)は入射側面の入射平面部による分割数と中心に対する色温度差との関係を示すグラフである。同上照明装置を備えた照明器具を模式的に示す説明図である。第２の実施形態のレンズの一部を示す断面図である。同上レンズの一部を光軸方向から示す平面図である。同上レンズの各実施例及び比較例の出射角度と相関色温度との関係を示すグラフである。

以下、第１の実施形態の構成を図１ないし図６を参照して説明する。

図１ないし図４において、11は照明装置としてのランプ装置で、このランプ装置11は、金属製の放熱体である基体12、この基体12の一端側(ランプ装置11のランプ軸(光軸)の一端側)に取り付けられた発光モジュール13、この発光モジュール13を覆って基体12の一端側に着脱可能に取り付けられたレンズ14、基体12の他端側に取り付けられた絶縁性を有する絶縁カバー15、この絶縁カバー15の他端側に設けられた給電端子16、および、絶縁カバー15内に収納された点灯回路17を備えたＬＥＤランプである。

まず、基体12は、熱伝導性が優れた例えばアルミニウムなど金属材料によって略半球状に一体形成されており、中央域には他端側へ向けて開口する胴体部21が形成され、この胴体部21の周囲にランプ軸方向に沿った複数の放熱フィン22が放射状に突出形成されている。放熱フィン22は、基体12の他端側から一端側へと径方向の突出量が徐々に大きくなるように傾斜して形成されており、いわゆるレフランプの形状に近似するように構成されている。

基体12の一端側の面には、複数の通気開口23が周方向に互いに離間されて開口されており、これら通気開口23は、周方向に隣接する放熱フィン22，22間に連通して通気路24を形成している。したがって、これら通気開口23を介して、放熱フィン22，22間にて基体12の外周面に沿って冷却空気を流通させて基体12を冷却し、効果的に放熱できるようになっている。

また、基体12の胴体部21の一端側には、通気開口23の内方の位置に、レンズ14が嵌合される嵌合凹部25が一端側に開口して凹設されており、胴体部21の他端側には、絶縁カバー15が嵌合する凹部26が他端側に開口して凹設されている。

嵌合凹部25は、基体12(胴体部21)の一端側に連通する円筒面状の側面27と、この側面27の他端側に連続し他端側へと徐々に縮径するように傾斜した傾斜面28と、この傾斜面28の他端側に連続し発光モジュール13が取り付けられる平面状の取付面29とにより周囲が区画されている。そして、側面27には、嵌合凹部25に嵌合されたレンズ14の外周と側面27との隙間を閉塞する図示しない円環状のシール部材が嵌合される嵌合溝部30が全周に亘って凹設されている。また、取付面29には、点灯回路17と発光モジュール13側とを電気的に接続するコネクタやリード線を通すための配線孔32が中央部に開口されているとともに、発光モジュール13をねじなどによって固定するための図示しない取付孔が形成されている。さらに、側面27と傾斜面28とが連続する位置が、レンズ14を位置決めする位置決め部33となっている。

次に、発光モジュール13は、例えば鉄、アルミニウムなどの金属材料またはセラミックなどの絶縁材料で形成された長方形状の基板41、およびこの基板41の一端側の一面である実装面に配置された光源としての複数の発光部42を有しており、基板41が複数の図示しないねじにより基体12の取付面29に対して、シリコーン樹脂やシリコーンゴムなどの絶縁性、熱伝導性および弾性を有する薄いシートである図示しない絶縁シートなどを介して絶縁された状態で熱的に接続されて取り付け固定されている。さらに、基板41の中央部には、基体12の配線孔32と連通する貫通孔44が開口されている。

各発光部42は、基板41の金属面上に互いに離間されて実装された、例えば図示しない接続端子付きのＳＭＤ(Surface Mount Device)であり、扁平な薄型の直方体状の筐体部45に設けられた取付凹部46に、例えば発光素子(固体発光素子)としての半導体発光素子であるＬＥＤ素子すなわちＬＥＤチップ47が搭載されて接続端子と電気的に接続されているとともに、この取付凹部46の内側に蛍光部としての封止樹脂48が各ＬＥＤチップ47を封止するように充填されてＬＥＤチップ47を覆っている。したがって、各発光部42の封止樹脂48は、ランプ軸方向から見て各ＬＥＤチップ47よりも広い面積に広がって形成されている。そして、例えばＬＥＤチップ47は青色光を発し、封止樹脂48はＬＥＤチップ47が発した青色光によって励起されて主に黄色光を発する蛍光体を含有したシリコーン樹脂などの透明樹脂である。したがって、発光部42の表面である封止樹脂48の表面が発光面49となり、この発光面49から白色系の照明光が放射される。本実施形態では、ランバーシアン配光の光が放射される。なお、発光部42は、例えば基板41の金属面上にマトリクス状などに実装された複数のＬＥＤチップ47全体を土手状の囲み部により囲み、この囲み部の内側に封止樹脂48によって充填した、いわゆるＣＯＢ(Chip On Board)モジュールでもよい。

また、基板41の実装面には、基板41に対して絶縁状態で図示しない配線パターンが形成され、この配線パターンに、各発光部42の接続端子が電気的に接続されている。そして、この配線パターンは、基板41の実装面上に取り付けられた図示しないコネクタを介して点灯回路17と電気的に接続されている。

また、レンズ14は、透光性を有する合成樹脂、あるいはガラスなどの部材により一体成形され、レンズ本体部55と、このレンズ本体部55に凹設された入射凹部56とを備えている。そして、このレンズ14は、発光部42からの光をほぼ全て出射させる、全反射型のものである。

レンズ本体部55は、各発光部42に対応して、円柱状の出射部61と、この出射部61のランプ軸方向背面側、すなわち発光モジュール13側に位置する回転楕円体状の配光部62とを一体にそれぞれ備えている。そして、このレンズ本体部55は、各出射部61が連結部63を介して互いに一体に連結されており、各配光部62が発光部42の位置に対応して互いに離間されている。

各出射部61は、発光部42からの光を出射させる部分であり、配光部62と反対側の外面(端面)が、ランプ軸に対して交差(直交)する方向に沿う平面状の出射面64となっている。

また、配光部62は、発光部42側から出射部61へと徐々に拡径するように形成されており、出射部61と連続し、外周面が光を出射部61の出射面64へと反射させる曲面(回転楕円面、あるいは放物面)状の反射面66となっている。この配光部62の中心軸は、発光部42のＬＥＤチップ47の中心部と同軸上に位置合わせされている。そして、この配光部62の発光部42と僅かな間隙を介して対向する外面(端面)は、ランプ軸に対して交差(直交)する方向に沿う平面状の対向面67となっている。

一方、入射凹部56は、各配光部62の発光部42に対向する位置である対向面67の中央部に凹設されている。そして、各入射凹部56は、発光部42と対向しこの発光部42からの光を出射部61へと導くレンズ面68と、このレンズ面68の周囲に連続して位置し発光部42からの光を配光部62の反射面66へと導く入射側面69とを備えている。

レンズ面68は、入射凹部56の出射部61側の端部に位置してランプ軸と交差する方向に沿って形成されている。また、このレンズ面68は、発光部42側へと凸設されており、本実施形態では、回転楕円面状、あるいは放物面状となっている。そして、このレンズ面68は、入射した発光部42からの光のほぼ全てを、反射面66へ導くことなく出射部61(出射面64)へと導くように、レンズ本体部55を構成する部材の屈折率などに応じて角度および曲率などがそれぞれ調整されている。

また、入射側面69は、一端側である対向面67側から他端側であるレンズ面68側へと、徐々にランプ軸に接近するように傾斜している。すなわち、入射凹部56は、発光部42からの光の入射側である対向面67側から出射側である出射部61側へと縮径されている。なお、この入射側面69の対向面67(レンズ14、特に配光部62やランプ軸と直交する面)に対する傾斜角度は、入射した光を反射面66において全反射させ、かつ、レンズ14を成形時に成形型から容易かつ確実に抜くための抜き勾配を考慮して、所定角度、例えば８０°以上９０°未満に設定されている。そして、この入射側面69は、入射した発光部42からの光の全てを、出射部61へと導くことなく反射面66へと導くように、レンズ本体部55を構成する部材の屈折率などに応じて角度などがそれぞれ調整されている。

さらに、入射側面69は、レンズ面68の外縁に沿う方向(周方向)に互いに隣接する平面状の複数のファセット(切子面)である入射平面部71により構成され、円筒面(截頭円錐面)に近似した形状となっている。これら入射平面部71は、それぞれ発光部42側である対向面67側からレンズ面68の外縁へと徐々に幅狭となり、ランプ軸に沿う方向に長手方向を有する等脚台形状に形成されている。そして、これら入射平面部71は、互いに隣接するもの同士の連続位置が同一の円筒面(截頭円錐面)の母線となっている。また、これら入射平面部71は、一端側が対向面67と連続しているとともに、他端側がレンズ面68の外縁を構成している。すなわち、レンズ面68は、入射平面部71により外周がランプ軸方向から見て略正五角形以上の略正多角形状となっており、入射平面部71同士は、９０°より大きく１８０°未満の鈍角状に隣接している。本実施形態では、入射側面69が１８個の入射平面部71からなり、レンズ面68の外周(外郭)が正十八角形状となっている。換言すれば、本実施形態では、入射側面69が各入射平面部71により正十八角形筒状面となっている。

ここで、入射平面部71による入射側面69の分割数は、その数が少なすぎる場合、中心光度が低下し、多すぎる場合、色むらを低減する効果が損なわれる。例えば、図５(a)に示すように、入射平面部によって分割しない円筒状の入射側面との中心光度比を約０．９以上となるように選択する場合には、分割数を９以上とすることが好ましい。特に中心光度比を約０．９５以上となるように選択する場合には、分割数を１２以上とすることが望ましい。一方で、図５(b)に示すように、分割数は、色温度差が減少する傾向が生じる２４以下とすることが望ましい。特に色温度差が２００Ｋ未満となるように選択する場合には、分割数を１８以下とすることが好ましい。したがって、この入射平面部71は、９以上２４以下に設定することで、中心光度を確保しつつ色むらを効果的に抑制することが可能になる。

また、絶縁カバー15は、例えばＰＢＴ樹脂などの絶縁材料により、一端側へ向けて開口する円筒状に形成されている。この絶縁カバー15は、基体12の凹部26に嵌合される円筒状の絶縁カバー本体部75と、この絶縁カバー本体部75の他端側に連続し基体12の凹部26から突出する給電部76とを一体に備え、絶縁カバー本体部75と給電部76との間の外周に、基体12の胴体部21の他端に当接する環状の鍔部77が形成されている。そして、給電部76の外面には、ソケットに係止するための溝状の係止凹部78が、互いに対向する両側に一対設けられている。

また、給電端子16は、例えば、ＧＵ５．３形などの一般照明電球用のソケットに接続可能なもので、絶縁カバー15の他端から突出する一対の接続ピン81，81を備えている。

また、点灯回路17は、発光モジュール13のＬＥＤチップ47に対して定電流を供給する回路であり、回路を構成する複数の回路素子が実装された回路基板83を有し、この回路基板83が絶縁カバー15の軸方向に沿って挿入されて絶縁カバー15内にて絶縁カバー本体部75ないし給電部76に亘って収納されている。点灯回路17の入力側には、給電端子16の接続ピン81，81がそれぞれ電気的に接続されている。点灯回路17の出力側には先端に図示しないコネクタを有するリード線が接続され、このコネクタおよびリード線が基体12の配線孔32および貫通孔44を通じて基板41の実装面側に引き出され、このコネクタが発光モジュール13のコネクタに接続されている。

また、図６には、ランプ装置11を使用するダウンライトである照明器具85を示し、この照明器具85は、器具本体86を有し、この器具本体86内にソケット87および反射体88が配設されている。ソケット87は、ランプ装置11の給電端子16の接続ピン81，81が挿入されて電気的に接続される図示しない接点を内部に備えた挿入孔を有する略円柱状のソケット本体91と、このソケット本体91の両側に可動的に設けられた保持ばね92，92とを有している。そして、ランプ装置11は、接続ピン81，81を挿入孔に挿入して接点と電気的に接続することで、保持ばね92，92が係止凹部78，78に嵌合し、ソケット87に保持されるようになっている。

そうして、ランプ装置11を照明器具85のソケット87に装着して通電すると、点灯回路17が動作し、発光モジュール13の複数の発光部42のＬＥＤチップ47に電力が供給され、ＬＥＤチップ47が発光し、このＬＥＤチップ47の発光により封止樹脂48が励起されて発光面49から発光し、この光がレンズ14の入射凹部56へと入射する。このとき、この光には、ＬＥＤチップ47から封止樹脂48を介して放射状に発せられる光L1と、このＬＥＤチップ47の光L1により励起されて蛍光体が発光することでＬＥＤチップ47の周囲に位置する封止樹脂48(封止樹脂48の周縁部)から放射状に発せられる、光L1と僅かに色温度および照度が異なる光L2とが含まれる。本実施形態では、光L1はＬＥＤチップ47の発光色である青色に相対的に近似した色温度であり、光L2は封止樹脂48中の蛍光体の色である黄色に相対的に近似した色温度である。そして、発光面49からの光は、大部分が入射側面69に入射し、残りがレンズ面68に入射する。

入射側面69に入射した光は、この入射側面69をなす各入射平面部71にて屈折されてほぼ全て反射面66へと導かれる。すなわち、入射平面部71は、それぞれ平面状に形成されているため、各入射平面部71に対して法線方向以外の方向から入射した光は、レンズ14(レンズ本体部55)を構成する部材の屈折率に応じて屈折される。したがって、それぞれの入射平面部71に入射した光がその入射角度に応じて散乱されることで、発光部42からの光に含まれる互いに色温度が異なる光L1と光L2とが効果的に混ざり、色むらおよび照度むらが抑制される。そして、反射面66へと導かれた光は、この反射面66によって全反射され、出射部61の出射面64から出射する。

一方、レンズ面68に入射した光は、このレンズ面68にて屈折され、全て出射部61へと導かれ、出射面64から出射する。

したがって、このレンズ14を介して、発光部42からの光の全てが出射面64から出射する。

このように、上記第１の実施形態によれば、発光部42からの光を配光部62の反射面66へと導く入射凹部56の入射側面69を構成する平面状の入射平面部71によって発光部42からの光を効果的に拡散させ、効率および中心光度を損なうことなく発光部42の色むらおよび照度むらを確実に抑制できる。

特に、入射側面69を９以上２４以下の入射平面部71により分割することで、中心光度を確保しつつ色むらを効果的に抑制できる。

次に、第２の実施形態を図７および図８を参照して説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成および作用については、同一符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態は、上記第１の実施形態のレンズ14のレンズ面68が、ランプ軸方向に互いに隣接する複数のファセットすなわち切子面部95により構成されている。

これら切子面部95は、それぞれ傾斜角度が異なる円錐面の一部(截頭円錐面)をなし、断面がそれぞれ直線状となっているとともに、レンズ面68全体として球面に近似した形状となっている。すなわち、これら切子面部95は、互いに隣接するもの同士の連続位置がそれぞれ同一の球面上に位置する円(緯度線)となっている。本実施形態では、図８に示すように、切子面部95は４面で構成されている。

そして、レンズ面68に入射した光は、このレンズ面68をなす各切子面部95にて屈折されて全て出射部61の出射面64へと導かれる。すなわち、切子面部95は、それぞれ互いに傾斜が異なる円錐面状に形成されているため、ランプ軸を含む断面で見たときに、各切子面部95に対して法線方向以外の方向から入射した光は、レンズ14(レンズ本体部55)を構成する部材の屈折率に応じて屈折される。したがって、それぞれの切子面部95に入射した光がその入射角度に応じて散乱されることで、発光部42からの光に含まれる互いに色温度が異なる光L1と光L2とが効果的に混ざり、色むらおよび照度むらを確実に抑制できる。なお、切子面部95は、３面以上、８面以下に分割すると特に効果が高い。

具体的に、上記各実施形態のレンズ14による出射角度と相関色温度との関係をシミュレートすると、図９に示すように、第１の実施形態に対応する第１実施例および第２の実施形態に対応する第２実施例では、それぞれ出射角度０°〜１０°での相関色温度差が１００〜１５０Ｋ程度であるのに対して、従来例では約２００Ｋ以上となっており、第１実施例および第２実施例は、比較例と比較して色むらが抑制されて均一性が高いことが分かる。つまり、入射凹部56は、全てファセット(入射平面部71および切子面部95)で構成されると最も好適である。

なお、上記各実施形態において、レンズ14は、ランプ装置11以外でも、発光モジュール13とレンズ14とを備える任意の照明装置に適用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 照明装置としてのランプ装置
12 基体
13 発光モジュール
14 レンズ
15 絶縁カバー
16 給電端子
17 点灯回路
41 基板
42 光源としての発光部
47 発光素子としてのＬＥＤチップ
48 蛍光部としての封止樹脂
55 レンズ本体部
56 入射凹部
61 出射部
62 配光部
66 反射面
68 レンズ面
69 入射側面
71 入射平面部
95 切子面部

Claims

発光素子およびこの発光素子を覆いこの発光素子からの発光により励起される蛍光部を有する光源、およびこの光源が一面に実装された基板を備えた発光モジュールと；
光を出射させる出射部、および、外面が光をこの出射部へと反射させる反射面を構成し、この出射部と一体に設けられた配光部を有し、透光性を有する部材により形成されたレンズ本体部と、光源と対向しこの光源からの光を出射部へと導くレンズ面、および、このレンズ面の周囲に位置し互いに隣接する平面状の複数の入射平面部により構成され光源からの光を配光部の反射面へと導く入射側面を有し、レンズ本体部の配光部に凹設された入射凹部と、を備えたレンズと；
を具備していることを特徴とする照明装置。
入射平面部の数は、９以上２４以下に設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
入射側面は、光軸方向と直交する方向に対して８０°以上９０°未満に傾斜している
ことを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
レンズ面は、光軸方向に互いに隣接する複数の切子面部により構成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の照明装置。
基体と；
基体の一端側に発光モジュールが配置された請求項１ないし４いずれか一記載の照明装置と；
基体の他端側に取り付けられた絶縁カバーと；
この絶縁カバーに設けられた給電端子と；
絶縁カバー内に収納された点灯回路と；
を具備していることを特徴とするランプ装置。
光を出射させる出射部、および、外面が光をこの出射部へと反射させる反射面を構成し、この出射部と一体に設けられた配光部を備え、透光性を有する部材により形成されたレンズ本体部と；
発光素子およびこの発光素子を覆いこの発光素子からの発光により励起される蛍光部を備えた光源と対向しこの光源からの光を出射部へと導くレンズ面、および、このレンズ面の周囲に位置し互いに隣接する平面状の複数の入射平面部により構成され光源からの光を配光部の反射面へと導く入射側面を備え、レンズ本体部の配光部に凹設された入射凹部と；
を具備していることを特徴とするレンズ。