JP2014183001A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率でありながら配光分布の制御を容易に行うことができ、特に、広配光に適した照明装置を提供する。
【解決手段】照明装置１０は、前方に向かって光を放射する光源１２と、光源１２の前方に配置され、光源１２から出射した光の配光を制御するレンズシート１４と、レンズシート１４の光源１２とは反対側に配置され、レンズシート１２から出射した光の進行方向を斜め後方に制御する反射体１６と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い照度と広い配向特性とを備えた照明装置に関する。

従来、照明装置には、その用途に応じた適切な照度及び配向特性が要求され、例えば、街路灯や道路灯、防犯灯などの照明装置には、一般に、高い照度とともに広い配向特性が要求される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された照明装置では、光源の前方に配置される光学部材の前面（光源から光学部材に入射した光の出射面）及び後面（光源からの光の入射面）の両方にそれぞれ異なる種類のプリズムを設けることによって、光源と１つの光学部材のみで広配向を達成することが図られている。

特開２０１１−１６５４０９号公報

ここで、特許文献１に記載の照明装置では、光学部材の前面に設けたプリズムのプリズム面における全反射によって、配光の広角化を達成するように構成されている。しかしながら、通常、プリズム面に入射する光には、プリズム面で全反射されることなく透過する光も含まれているため、特許文献１に記載の照明装置では、このような透過光が広角に配光されることなく光学部材から出射する結果、光源から出射した光を効率よく制御できないという問題がある。加えて、所望の配光特性を備えたプリズムの設計及び作製は、必ずしも容易ではない。

本発明は、上記課題に鑑み、高効率でありながら配光分布の制御を容易に行うことができ、特に、広配光に適した照明装置を提供することを目的とする。

以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）前方に向かって光を放射する光源と、前記光源の前方に配置され、前記光源から出射した光の配光を制御するレンズシートと、前記レンズシートの前記光源とは反対側に配置され、前記レンズシートから出射した光の進行方向を主として斜め後方に制御する反射体と、を備えている照明装置（請求項１）。

本項に記載の照明装置によれば、光源の前方に出射した光を、光源の主として斜め後方側に出射させ、その出射光の配光特性を、高効率かつ容易に制御することが可能となる。また、これによって、高照度かつ広配光（広角度領域に急峻なピークを有する配向特性）の照明装置を実現することが可能となる。

（２）（１）項に記載の照明装置において、前記レンズシートは、前記光源から出射された光の配向を狭くするように構成されていることを特徴とする照明装置（請求項２）。

本項に記載の照明装置によれば、その光の進行方向の斜め後方への制御（高照度かつ広配光）を高いレベルで精密に実施することが可能となる。

（３）（１）または（２）項に記載の照明装置において、前記反射体は、前方に向かうほど光軸から離れるように傾斜する反射面を有することを特徴とする照明装置（請求項３）。

本項に記載の照明装置によれば、レンズシートから出射した光の進行方向の斜め後方への制御を、反射面の傾斜角度の調整のみによって、精密かつ容易に実施することができる。

（４）（３）項に記載の照明装置において、前記反射面は、光軸に対する傾斜角度が２５°から４５°の範囲に設定されていることを特徴とする照明装置（請求項４）。

本項に記載の照明装置によれば、照明光の指向角が５０°から９０°の広角度領域となるように配光分布を制御することができる。また、それによって、街路灯、道路灯、防犯灯等の一般的な要求仕様に適う照明装置を容易に実現することが可能となる。

（５）（３）または（４）項に記載の照明装置において、前記反射体は、円錐状であり、その頂部が前記レンズシートの中心部と対向するように配置されていることを特徴とする照明装置（請求項５）。

本項に記載の照明装置によれば、光軸回りに一様な配光分布を容易に達成することができる。

（６）（１）から（５）のいずれか１項に記載の照明装置において、前記光源を後方側から支持するハウジングをさらに有しており、前記ハウジングには、光を透過させる透光窓が形成されていることを特徴とする照明装置（請求項６）。

本項に記載の照明装置によれば、光源を後方側から支持するハウジングを有する照明装置において、照明装置後方（直下部分）の照度不足を抑制することができる。

本発明は、以上のように構成したため、高効率でありながら配光分布の制御を容易に行うことができ、特に、広配光に適した照明装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態における照明装置の要部を示す斜視図である。 図１に示す照明装置の配光分布の解析に用いたモデルを示す図である。 図２に示すモデルを用いた解析において、反射面の傾斜角を２２°とした場合の配光分布を示すグラフである。 図２に示すモデルを用いた解析において、反射面の傾斜角を３１°とした場合の配光分布を示すグラフである。 図２に示すモデルを用いた解析において、反射面の傾斜角を３９°とした場合の配光分布を示すグラフである。 図２に示すモデルを用いた解析において、反射面の傾斜角を４５°とした場合の配光分布を示すグラフである。 比較のため、図３〜図６に示す配光分布を同一座標平面上に示すグラフである。 （ａ）は、本発明の一実施形態における照明装置の好ましい構成の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、説明のため、（ａ）に示す照明装置を、レンズシートを除いた状態で示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。尚、照明装置を示す各図（図１、図８）は、いずれも、その要部のみを示す模式図である。したがって、本発明の各実施形態における照明装置は、図示が省略された他の構成要素を備えるものであってもよく、また、図示された各部分の相対的な寸法は、説明のために特徴を強調して示すものであっって、必ずしも実際の縮尺を反映するものではない。

本発明の第１実施形態における照明装置１０は、光源１２と、光源１２の前方に配置され、光源１２から出射した光の配光を制御するレンズシート１４と、レンズシート１４の光源１２とは反対側に配置され、レンズシート１４から出射した光の進行方向を斜め後方に制御するための反射体１６とを備えている。

尚、本発明において、光源１２は、光源１２を通り光軸ｑに垂直な平面を境界として空間を２つの半空間に分けた場合に、一方の半空間内のみに光を放射するように構成されており、本発明では、光源１２に対して、光を放射する半空間側を前方、他方の半空間側を後方というものとする。また、本発明において、光軸ｑは、光源１２の発光領域の中心から前方に延びる中心軸をいう。

照明装置１０において、光源１２は、基板１１を備えており、基板１１上に青色光を発光する複数のＬＥＤチップ（図示は省略する）を実装するとともに、黄色蛍光体が分散された樹脂材料１３によりこれらのＬＥＤチップを封止して構成された、所謂ＣＯＢ（Chip
On Board）型の擬似白色ＬＥＤである。したがって、光源１２の発光領域は、樹脂材料１３で封止された領域に相当する。但し、本発明は、光源１２の具体的態様によって限定されるものではなく、前方に光を放射する任意の光源を使用することができる。

また、照明装置１０において、レンズシート１４は、円板状に構成されており、光軸ｑが円板の中心を貫くように、光源１２の前方に配置されている。このレンズシート１４の一面（例えば、光源１２と対向する側の面）には、複数のプリズムが同心円状に形成されており、さらに、それらの複数のプリズムは、中心部（光軸ｑ寄りの領域）に設けられた屈折型のプリズムと、中心部よりも外周側の領域に設けられた内部全反射（ＴＩＲ）型のプリズムから構成されている。なお、光源１２から出射された光の配向を制御する光学部材としてバルク状のレンズを用いることも可能であるが、板状に構成されたレンズシート（フレネルレンズ）を用いることにより、照明装置の薄型化を図ることができる。また、レンズシートとして、本実施形態のように、屈折型のプリズムとＴＩＲ型のプリズムとを有する、いわゆる複合フレネルレンズを用いることによって、光源とレンズ間の距離を短くしても高効率で狭配向を実現することができる。

さらに、照明装置１０において、反射体１６は、円錐状に構成されており、その外側面１８を反射面とするものである。そして、反射体１６は、その頂部１９がレンズシート１４の中心と対向するように、レンズシート１４の前方に配置されている。このような構成及び配置により、反射体１６の反射面１８は、前方に向かうほど光軸ｑから離れるように傾斜するものとなる。

以上のような構成された照明装置１０において、光源１２から前方に向かって放射状に出射された光は、まずレンズシート１４に入射し、レンズシート１４の上記複数のプリズムの作用により配光が狭められ、レンズシート１４から出射する。そして、レンズシート１４からの出射光は、反射体１６に入射し、その反射面１８で主として斜め後方に反射され、照明光として照明装置１０から出射されることになる。

照明装置１０は、このように、光源１２から出射された光を、レンズシート１４を介して狭配光化した後に、反射体１６に入射させて、その反射面１８で反射させることによって、照明光として出射される光の配光分布を制御するものである。
その際、照明装置１０では、反射体１６による反射により配光分布を制御することから、光の損失を低減し、効率に優れた配光制御を実現することができる。さらに、照明装置１０では、レンズシート１４を介して狭配光化した後に、均整化された入射角でもって反射体１６に入射させ、反射面１８で斜め後方に反射させることによって、光の配光分布を制御することから、反射体１６の反射面１８の光軸ｑに対する傾斜角度のみを調整することによって、照明光として出射される光の配光分布を、精密かつ容易に制御することができる。

ここで、照明装置１０は、特に、照明光の配光分布を制御し、その広角化（広角度領域に急峻なピークを有する配向特性）を実現する上で有利なものであり、以下、図２〜図７を参照して、この点について詳述する。
図２は、照明装置１０の配光分布の解析に用いたモデルを示す図である。尚、図中符号２０で示す構成要素は、光の吸収体である。これは、照明装置１０を街路灯等に適用する際に、光源１２、レンズシート１４、及び反射体１６からなる基本構成要素をハウジングに収容することを想定し、照明光の配光分布に対するハウジングの影響を解析に含めるために配置したものである。

図３〜図６は、反射面１８の光軸ｑに対する傾斜角度αがそれぞれ異なる反射体１６を備えるモデルについて、照明光の配光分布を解析（レイトレーシングによるシミュレーション）した結果を示すグラフである。各図において、横軸は照明光の、光軸ｑ上後方を０°とする指向角（°、deg）であり、縦軸は光源１２の光束に対する光度比（任意単位）である。また、図３〜図６は、光軸ｑを含む一平面内の配光分布を示すものであるが、照明装置１０の配光分布は、本解析で用いたいずれのモデルについても、光軸ｑ回りの任意の方向において、同様のものである。

ここで、本解析では、全てのモデルについて反射体１６の円錐形の底面の半径Ｒは共通とし、円錐形の高さＨをそれぞれ異なるものとすることによって、傾斜角度αを変えており、図３、図４、図５、図６に示すグラフは、それぞれ、Ｈ／Ｒを、４０／１００（傾斜角度αは２２°）、６０／１００（傾斜角度αは３１°）、８０／１００（傾斜角度αは３９°）、１００／１００（傾斜角度αは４５°）とした場合の配光分布である。
尚、反射体１６の円錐形の頂部１９は、レンズシート１４に接触するように配置されており、レンズシート１４及び吸収体２０の直径は、それぞれ５０ｍｍ及び６０ｍｍとした。
また、レンズシート１４は、その出射光の配光分布を、半値幅が２５°程度となるように狭角化するものである。

そして、図７は、比較のため、図３〜図６に示す配光分布を同一座標平面上に示すグラフであり、円周方向の座標が指向角、半径方向の座標が光度比をそれぞれ示すものである。図７において、符号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示される分布が、それぞれ、図３、図４、図５、図６の分布に相当する。

図３〜図７から、照明装置１０の配光分布は、いずれのモデルにおいても、指向角の正負両方向に急峻なピークを有する分布となり、さらに、反射面１８の傾斜角αを増大させる程、最大の光度比を示す指向角の絶対値が増大し（言い換えれば、最大の光度比を示す方向が広角化し）、また、その指向角における最大の光度比も増大することが分かる。

さらに、図３〜図７から分かるように、照明装置１０において、反射体１６の反射面１８の傾斜角度αを、２５°から４５°の範囲、好ましくは、３０°から４０°の範囲に設定することにより、最大の光度比を示す指向角を、図３〜図７に示す正負両方向の指向角において、絶対値が５０°から９０°の広角度領域に制御することができるものである。このことは、光軸ｑ回りの全方位における指向角についても同様である。以下、特に明示しない限り、指向角及びその範囲は、光軸ｑ回りの全方位について言うものとする。

ここで、街路灯、道路灯、防犯灯等のように、地上から所定の高さに設置されて、地上側を照明する照明装置の要求仕様には、多くの場合、照明装置の鉛直下方を０°（水平方向を９０°）とする指向角が５０°から９０°の範囲（あるいは、その範囲内の特定の指向角方向）における光度に対して、満たすべき一定の基準が定められている。したがって、本実施形態における照明装置１０は、その反射体１６を、最大の光度比を示す指向角が５０°から９０°の領域内の、要求仕様を満たすために必要な最適な方向となるように設定することによって、街路灯等の照明装置として好適に適用することが可能となる。尚、この場合、照明装置１０は、その前方が鉛直上方、後方が鉛直下方となるように設置されることは言うまでもない。

例えば、地上４.５ｍの高さに設置された照明装置（例えば、防犯灯）の設置位置から、１０ｍ離れた場所における地上１．５ｍの高さの鉛直面照度に対して、満たすべき照度基準が定められている場合には、最大の光度比を示す指向角が約７３°となるように設定された照明装置１０が、この照度基準を満たす照明装置として、有利な構成を有するものである。

次に、本実施形態のおける照明装置１０の一構成例として、照明装置１０を、街路灯、道路灯、防犯灯等に適用される場合に好適な構成について説明する。ここで、図８（ａ）は、このような照明装置３０の好ましい構成の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、説明のため、（ａ）に示す照明装置３０を、レンズシート１４を除いた状態で示す斜視図である。

照明装置３０は、光源１２、レンズシート１４、及び反射体１６と、これらを収容するハウジング３２とを備えており、ハウジング３２の外周縁部には、円筒状の透明な出射窓３４が取り付けられている。照明装置１０において、ハウジング３２は、光源１２をその後方側から支持するものであり、具体的には、光源１２は、その後面側がハウジング３２の底面３５に直接接触するように、ハウジング３２に組み付けられている。また、レンズシート１４は、光源１２を収容する空間を覆うように、ハウジング３２の内周縁に沿って取り付けられ、反射体１６は、その頂部１９がレンズシート１４と対向するように、出射窓３４のハウジング３２とは反対側の端辺に沿って取り付けられている。また、照明装置３０は支軸３６を備えており、ハウジング３２は、支軸３６の一方の先端部に固定されている。

照明装置３０は、典型的には、支軸３６の、ハウジング３２が取り付けられていない方の先端部（図示は省略する）からハウジング３２に向かう方向が、鉛直上方と一致するように設置されるものである。以下の説明において、照明装置３０の上下方向は、このような設置態様に従っていうものである。

尚、照明装置３０では、反射体１６が、底面２１を有する中実または中空の円錐体として構成されており、この底面２１が、照明装置３０自体の上端面を構成している。但し、照明装置３０は、反射体１６とは別体の上端面を備えるものであってもよく、その場合には、反射体１６は、底面２１を有しないものであってもよい。

ここで、光源１２として、ＬＥＤを用いる場合には、その発光効率を維持するために、光源１２から発生する熱の放熱は重要な課題であり、ハウジング３２は、光源１２のヒートシンクとしても機能することが望ましい。このため、ハウジング３２は、高熱伝導性の金属材料（例えば、アルミニウム）から構成されており、その外周側面に沿って、複数の放熱用フィン３３が形成されている。また、このような放熱性の観点から、上述したＣＯＢ型のＬＥＤ１２は、ＬＥＤチップが実装された基板１１を直接ヒートシンク（この例の場合、ハウジング３２の底面３５）に組み付けることになるため、有利なものである。

このように構成された照明装置３０は、光源１２から上方に出射し、レンズシート１４を介して狭配光化された後、反射体１６の反射面１８によって、その進行方向が下方に制御された光を、透明の出射窓３４から出射させることにより、照明装置３０の下方の空間を広角に照明するものであり、その作用効果の詳細は、図１〜図７を参照して上述した通りである。

但し、例えば、適用される照明装置の要求仕様に対して、照明装置３０の直下部分（指向角が０°近辺）の照度が不足する場合には、照明装置３０は、ハウジング３２の底面３５に、それぞれ透光窓として機能する複数の貫通孔３８を有するものであってもよい。この場合、照明装置３０からの照明光に、貫通孔３８を通ってハウジング３２直下部分に向かう光も含まれるため、上記の照度不足を低減することができる。
さらに、反射面１８の光軸ｑに対する傾斜角度を反射面１８の全体にわたって一定とするのではなく、頂部１９付近の傾斜角を他の部分よりも緩くする（例えば、平坦状あるいは球面状にする）ことにより、反射面１９で反射する光の配光分布を調整するものであってもよい。

以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る照明装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、反射体１６は円錐状に構成されるものとした。この構成は、光軸ｑ回りに一様な配光分布を達成するために有利な構成であるが、照明装置の要求仕様等に応じて、配光部分に異方性を持たせたい場合には、反射体１６を角錐状に構成するものであってもよい。さらに、この場合、反射体１６の形態に応じて、レンズシート１４も、例えば、複数の線状のプリズムが形成されたリニアフレネルレンズとするものであってもよい。また、この場合、反射体１８の頂部１９が、レンズシート１４の中心部に対向していなくてもよいし、光軸ｑ上に配置されていなくてもよい。

１０，３０：照明装置、１２：光源、１４：レンズシート、１６：反射体、３２：ハウジング、ｑ：光軸

Claims (6)

1. 前方に向かって光を放射する光源と、前記光源の前方に配置され、前記光源から出射した光の配光を制御するレンズシートと、前記レンズシートの前記光源とは反対側に配置され、前記レンズシートから出射した光の進行方向を主として斜め後方に制御する反射体と、を備えている照明装置。
2. 前記レンズシートは、前記光源から出射された光の配向を狭くするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記反射体は、前方に向かうほど光軸から離れるように傾斜する反射面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記反射面は、光軸に対する傾斜角度が２５°から４５°の範囲に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記反射体は、円錐状であり、その頂部が前記レンズシートの中心部と対向するように配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の照明装置。
6. 前記光源を後方側から支持するハウジングをさらに有しており、前記ハウジングには、光を透過させる透光窓が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の照明装置。

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