JP2015118132A - Ｌｅｄ用配光制御レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】より正確な配光制御を実現化し、灯具筐体を小型・軽量化し、一段と経済的に製造、設置可能、且つ効率的な整備を実現化できる新たな照明用灯具技術を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ５の光源面５０中央を仮想原点Ｏとし、仮想原点Ｏに垂直な仮想軸心Ｙ線、仮想原点Ｏで仮想軸心Ｙ線に直交し、互いも直交する仮想Ｘ線および仮想Ｚ線を設定し、仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面５０からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点Ｏから正負無限大双方向に向け、拡散可能な対称形とした凹面形入射双面２を設け、凹面形入射双面２とはレンズ肉厚分を挟む反対がわの、仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面５０からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点Ｏから正負無限大双方向に向け、拡散且つ収束可能な対称形とした凸面形出射双面３を設けてなるＬＥＤ用配光制御レンズ１である。
【選択図】図４

Description

この発明は、照明用光学レンズ技術に関連するものであり、特に光源が発する光束を広範且つ均一に拡散可能とする配光制御レンズを製造、提供する分野は勿論のこと、その輸送、保管、組み立ておよび設置に必要となる設備、器具類を提供、販売する分野から、それら資材や機械装置、部品類に必要となる素材、例えば、木材、石材、各種繊維類、プラスチック、各種金属材料等を提供する分野、それらに組み込まれる電子部品やそれらを集積した制御関連機器の分野、各種計測器の分野、当該設備、器具を動かす動力機械の分野、そのエネルギーとなる電力やエネルギー源である電気、オイルの分野といった一般的に産業機械と総称されている分野、更には、それら設備、器具類を試験、研究したり、それらの展示、販売、輸出入に係わる分野、将又、それらの使用の結果やそれを造るための設備、器具類の運転に伴って発生するゴミ屑の回収、運搬等に係わる分野、それらゴミ屑を効率的に再利用するリサイクル分野などの外、現時点では想定できない新たな分野までと、関連しない技術分野はない程である。

（着目点）
ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を採用した照明灯具は、従来の蛍光灯照明灯具に比較して長寿命、小電力点灯、配光の自由度などといった特長を有しており、電気料金などのランニングコストの低減や、二酸化炭素排出量の削減にも貢献することができる上、停電による消灯からも瞬時に再点灯できる上、天候や時刻毎の照度変化に応じた連続調光制御が可能であるなど、理想的な車両走行環境の創造に有効であるという理由から、安全性および経済性を重視しなければならない一般道や高速道路におけるトンネル用照明などに数多く設置されるようになっている。

トンネル照明用ＬＥＤ照明灯具は、例えばマルチチップ、ＣＯＢ(Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ)タイプＬＥＤの光源面が、一般に平面的であり、従来型の蛍光灯に比較して指向性が強く、限られた範囲に照明光束が集中してしまう性質を有していることから、複数個のＬＥＤを適宜間隔置き毎に縦横配列し、各ＬＥＤの実装角度を個別に調整し、全体として広範囲且つ均質に照明可能なものとしなければならず、トンネルの基本照明、入口部照明、出口部照明、特殊構造部の照明、接続道路の照明など設置場所や、停電時用照明などのように様々な利用条件下に応じ、ＬＥＤの発光数や、個別の実装角度を適宜調節しなければ、トンネル全体に渡って効率的且つ安全な路面輝度および輝度均斉度を得ることができなくなってしまうという欠点を有していた。

（従来の技術）
こうした状況を反映し、その打開策となるような提案も、これまでに散見されない訳ではない。
例えば、下記の特許文献１（１）に提案されているものに代表されるように、トンネル側壁などに固定する器具取付面に対して組込み可能とした基台に、所定角度に傾斜させた搭載面を設け、該搭載面に対し、ＬＥＤ、および光学レンズを有する光源部を設け、当該器具取付面に対し、該搭載面に平行な姿勢となる透光性部材で開口部を閉塞した器具本体を装着し、当該器具取付面をトンネルの側壁に取り付け、先行車の背面を積極的に照明し、効果的にプロビーム照明を行なえるようにしたものや、同特許文献１（２）および同文献１（３）に見られるような、ＬＥＤ光源ユニットに対峙するようレンズ素子部を設け、該レンズ素子部入射側レンズカットに断面三角状のプリズム群を設け、出射側レンズカットに凸状プリズムを設け、前記プリズム群は、基準平面に対し実質的に同一の鋭角となる平面とし、積極的に反射鏡を設けずとも、明るさムラを低減した配光パターンを得ることができるようにしたトンネル用照明装置などが散見される。

しかし、前者特許文献１（１）に代表する照明器具は、ＬＥＤ、および光学レンズを固定する基台に傾斜させた搭載面を有するため、器具本体の厚み寸法が増大し、大型化および重量の増加が避けられないという致命的な欠点を有し、後者特許文献１（２）および同文献１（３）に示されているようなトンネル用照明装置は、筐体内に複数個配列したＬＥＤに、夫々レンズ素子部を正確に近接且つ対峙するよう透光性カバーを装着しなければならず、各ＬＥＤの取付位置精度、透光性カバー自体の加工精度、および、筐体に対する透光性カバーの取付精度など、各部精度を厳しく製造管理しなければ、正確な配光制御を行うのが難しく、経済的に製造および保守管理するのが困難であるという欠点を有していた。
（１）特開２０１３−１４３３１９号公報 （２）特開２０１０−２６２８１８号公報 （３）特開２０１３−２０１０６８号公報

（問題意識）
上述したとおり、従前までに提案のある各種トンネル用照明装置類は、何れも、ＬＥＤ照明の光学的性質から、ＬＥＤ素子を照明方向に向けて傾斜させたものとしなければならず、照明装置の大型化や重量の増加が避けられず、また、透明カバーにレンズ素子部を一体成型したものは、ＬＥＤ素子を傾斜させずに配光を制御可能となるが、複数個のＬＥＤ素子と、各レンズ素子部とを正確に対峙させるには、筐体および透明カバーの加工精度および組立精度を大幅に高めたものとしなければならず、しかも各レンズ素子部が外部に露出するから、汚損や破損し易く、経済的でないという欠点をもつことから、本願出願人は、永年に亘り、トンネル照明灯具の研究、開発、製造および保守管理に携わり、既に自らにおいてＬＥＤ搭載のトンネル照明灯具を完成し、提供し続けている中、それらから得た様々な検知、および、ユーザーからの情報などに基づき、ＬＥＤの発熱による寿命の悪化やエネルギー効率の低下などの従前から認識されていた課題を解決するばかりでなく、さらに、灯具筐体を小型・軽量化し、一層経済的に製造、設置、点検および整備可能なトンネル用照明灯具とする如く、更なる改善の可能性を痛感するに至ったものである。

（発明の目的）
そこで、この発明は、より正確な配光制御を実現化すると共に、灯具筐体の小型・軽量化を進め、一段と経済的に製造、設置可能であって、さらに効率的な点検および整備を実現化できる新たな照明用灯具技術の開発はできないものかとの判断から、逸速くその開発、研究に着手し、長期に渡る試行錯誤と幾多の試作、実験とを繰り返してきた結果、今回、遂に新規な構造のＬＥＤ用配光制御レンズを実現化することに成功したものであり、以下では、図面に示すこの発明を代表する実施例の幾つかと共に、その構成を詳述することとする。

（発明の構成）
図面に示すこの発明を代表する実施例からも明確に理解されるように、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズは、基本的に次のような構成から成り立っている。
即ち、ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点に垂直な仮想軸心線、該仮想原点で仮想軸心線に直交し、互いも直交する仮想Ｘ線および仮想Ｚ線を設定し、該仮想軸心Ｙ線に中心が一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点から正負無限大双方向に向け、拡散可能な対称形とするようにした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわの、該仮想軸心Ｙ線に中心が一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点から正負無限大双方向に向け、拡散且つ収束可能な対称形とした凸面形出射双面を設けてなるものとした構成を要旨とするＬＥＤ用配光制御レンズである。

この基本的な構成からなるＬＥＤ用配光制御レンズは、より具体的なものとして示すと、配光制御対象ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点から垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と直交する仮想Ｚ線とを設定し、ＬＥＤ光源面に対し所定間隙を隔てて対峙する光源平行仮想面上に、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面を設け、１つのＬＥＤ光源面から発する光束を、該仮想軸心Ｙ線を中心に、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形をなすよう二叉に拡散、且つ収束するよう光線誘導し、仮想Ｚ線方向に広く、仮想Ｘ線方向には、より長い広範囲を均質に照明可能としてなるものとした構成からなるＬＥＤ用配光制御レンズと言うことができる。

そして、さらに具体的には、配光制御対象ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点から垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と直交する仮想Ｚ線とを設定し、ＬＥＤ光源面に対し所定間隙を隔てて対峙する光源平行仮想面上に、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面を設け、該凹面形入射双面外周縁から該凸面形出射双面外周縁までの周壁面には、凹面形入射双面に入射した光束を、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、二叉に分岐状拡散するよう、該凸面形出射双面外周縁から該凹面形入射双面外周縁に掛けて、仮想軸心Ｙ線の無限大がわから仮想原点に近づくに従い、仮想Ｘ線正負無限大双方向に向け漸次延伸する対称曲面形とした周壁凸面形出射双面を設け、１つのＬＥＤ光源面から発する光束を、該仮想軸心Ｙ線を中心に、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形をなすよう二叉に拡散、且つ収束するよう光線誘導し、仮想Ｚ線方向に広く、仮想Ｘ線方向にはより長い広範囲を均質に照明可能としてなるものとした構成からなるＬＥＤ用配光制御レンズとなる。

以上のとおり、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズによれば、従前までのものとは違い、上記したとおりの固有の特徴ある構成から、高出力ＬＥＤの強い指向性を、所望範囲内に拡散および収束するよう的確に配光制御可能とすることができ、特に、ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点から垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と直交する仮想Ｚ線とを設定した場合の、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、ＬＥＤ光源面が発する光束を、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能とするよう制御可能としたから、仮想Ｘ線の正負無限大双方向により広く均質な照明範囲を確保可能とし、特に道路面やトンネル内のように、奥行きをもつ施設などの照明灯具に有効であるという秀れた特徴が得られるものである。

加えて、ＬＥＤ光源面に対し所定間隙を隔てて対峙し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とする凹面形入射双面、および、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とする凸面形出射双面を設けたから、ＬＥＤ光源面が発する光束を、先ず凹面形入射双面に入射する段階にて、該ＬＥＤ光源面中央仮想原点を通る仮想Ｙ−Ｚ面を境界に、均等に拡散して仮想Ｘ線の正負無限大方向に傾斜するよう屈折し、さらに、凸面形出射双面から出射する段階にて、仮想Ｙ−Ｚ面を境界に、仮想Ｘ線の正負無限大方向に向けて一層強く屈折するよう誘導、拡散し、仮想Ｘ線方向のより広い範囲に、一段と均質な照度分布を達成することができる。

そして、凹面形入射双面外周縁から該凸面形出射双面外周縁までの周壁面に、周壁凸面形出射双面を設けたものは、仮想軸心Ｙ線の無限大がわから仮想原点に近づくに従い、仮想Ｘ線正負無限大双方向に向け漸次延伸する対称曲面形としたから、該凹面形入射双面に入射した光束を、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、二叉に分岐状拡散するよう誘導可能とし、照度分布をより均質にすることができると共に、一段と効率的な照明を実現化することができる。

凹面形入射双面が、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に入射補正曲面を有し、周壁凸面形出射双面の仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に周壁反射補正曲面を設けたものは、該入射補正曲面が、入射光束を周壁凸面形出射双面に反射するよう誘導可能とし、該周壁反射補正曲面が、仮想Ｙ―Ｚ面の無限方向に向かおうとする光束を、仮想軸心Ｙ線に平行寄りか、平行か、または、交叉するかの少なくとも何れか一つとするよう反射し、光束が過度に拡散するのを抑制して収束し、より秀れた照度を確保し、一段と効率の良い照明を実現化可能とする上、該入射補正曲面と凹面形入射双面とを滑らかな連続曲面からなるものとし、且つ、周壁反射補正曲面と周壁凸面形出射双面とを滑らかな連続曲面からなるものとすることにより、明暗斑の無い一層均質な照明を達成するものとなる。

凸面形出射双面が、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、出射補正曲面を設けたものは、仮想Ｘ線の正から負方向に傾こうとする光束、および、仮想Ｘ線の負から正方向に傾こうとする光束を、仮想Ｘ線の正方向から正無限大寄り、および、仮想Ｘ線の負方向から負無限大寄りに、夫々傾けるよう、光線誘導可能とし、光束が過度に拡散してしまい、不要範囲を照射し、損失してしまうのを阻止し、より効率的な照明を実現化することができ、さらに、出射補正曲面と凸面形出射双面とを滑らかな連続曲面からなるものとすることにより、明暗斑の無い一層均質な照明を達成するものとなる。

周壁凸面形出射双面が、光束の拡散および収束に影響を及ぼさない外がわの適宜１箇所か、または、仮想軸心Ｙ線回りに略均衡する複数箇所かの何れか一方に、位置決め固定用の取着脚部を一体化してなるものは、ＬＥＤ用配光制御レンズの対象物への位置決めおよび固定を正確且つ迅速に行うことができるから、組み込み作業効率を格段に高め、耐久強度およびメンテナンス作業効率を大幅に高めたものとすることができる。

上記したとおりの構成からなるこの発明の実施に際し、その最良もしくは望ましい形態について説明を加えることにする。
ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、外部から電力の供給を受けて点灯し、外部に向け光を照射可能とする機能を担い、この発明の配光制御レンズを透して配光制御した場合、必要とされる平均路面輝度を満たすに足る照度を十分に発揮可能な能力を有するものとしなければならず、砲弾型、表面実装型（ＳＭＤ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）、チップオンボード（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）など、および、今後開発されるものを含め、様々なタイプのＬＥＤ、または、ＬＥＤに置き換え可能な他の光源を配光制御の対象とすることができる。

仮想原点は、この発明の配光制御レンズの各部配置および形状を明確に示すための原点となる仮想座標上の一点であり、配光制御の対象となるＬＥＤ光源面の中央に一致するよう設定しなければならず、仮想軸心Ｙ線、仮想Ｘ線および仮想Ｚ線の夫々が互いに一致する一点であるということが可能である。

仮想軸心Ｙ線は、この発明の配光制御レンズの各部配置および形状を明確に示すために、ＬＥＤ光源面の中央に設定した仮想原点から、同ＬＥＤ光源面に対して垂直姿勢となり、無限大方向に延びる一直線状の仮想線であるということができ、仮想Ｘ線は、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する一直線状の仮想線であるということができ、仮想Ｚ線は、該仮想原点から、仮想Ｘ線に直交し、且つＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延びる、一直線状の仮想線であるということができる。

この発明のＬＥＤ用配光制御レンズは、ＬＥＤ光源面に近接するよう対峙し、仮想軸心Ｙ線の無限大方向に向け、配光を制御可能とする機能を担い、仮想Ｚ線の正負無限大方向よりも、仮想Ｘ線の正負無限大方向により広い照明範囲を得るよう形状設定したものとしなければならず、より具体的に示すと、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面として対称曲面形とした凹面形入射双面および凸面形出射双面を設けたものとすべきであり、石英レンズや蛍石レンズなどのガラスレンズ、合成ガラスレンズ、または、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）やポリカーボネートなどの有機ガラスやプラスチックレンズとすることが可能であり、適宜コーティングを施したものとすることができる。

凹面形入射双面は、仮想軸心Ｙ線に中心を一致させたＬＥＤ用配光制御レンズの、ＬＥＤ光源面が照射する光束を所望の配光方向に向けて屈折するよう入射可能とする機能を担い、光線を高効率で入射可能な曲面形としなければならず、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とした対称曲面形とし、仮想Ｚ線の正負無限大方向よりも、仮想Ｘ線の正負無限大方向に、より広く光束誘導可能な形状に設定したものとすべきであり、後述する実施例に示すように、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とするのがよい。

凸面形出射双面は、仮想軸心Ｙ線に中心を一致させたＬＥＤ用配光制御レンズにおいて凹面形入射双面を通過および屈折した光束を、さらに、所望する配光方向に向け、屈折するよう出射可能とする機能を担っており、光線を高効率で出射可能な曲面形としなければならず、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とした対称曲面形とし、仮想Ｚ線の正負無限大方向よりも、仮想Ｘ線の正負無限大方向に、より広く光束誘導可能な形状に設定したものとすべきであり、後述する実施例に示すもののように、凹面形入射双面に入射および屈折した光束を、さらに、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とするのがよい。

周壁凸面形出射双面は、該凹面形入射双面外周縁から該凸面形出射双面外周縁までの周壁面に、光学的機能を付与し、配光機能をより高める機能を分担し、凹面形入射双面に入射した光束を、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、二叉に分岐状拡散するよう、該凸面形出射双面外周縁から該凹面形入射双面外周縁に掛けて、仮想軸心Ｙ線の無限大がわから仮想原点に近づくに従い、仮想Ｘ線正負無限大双方向に向け漸次延伸する対称曲面形としたものとすべきであり、後述する実施例に示すように、該凹面形入射双面外周縁から該凸面形出射双面外周縁までの周壁面を滑らかに連続する曲面形状とするのがよく、光束の拡散および収束に影響を及ぼさない外がわの適宜１箇所か、または、仮想軸心Ｙ線回りに略均衡する複数箇所かの何れか一方に、位置決め固定用の取着脚部を一体化してなるものとすることができる。

取着脚部は、ＬＥＤ用配光制御レンズを基板などの固定対象物に対して正確に位置決めし、確りと取付け可能とする機能を担い、ＬＥＤ用配光制御レンズとは別体の部品として製造し、脱着可能か、または脱着不能かの何れか一方とするよう後付けしたものとすることができる外、後述する実施例に示すように、ＬＥＤ用配光制御レンズに一体化成型したものとすることができ、ネジやリベット装着用などの取付孔や溝、クランプ機構の一部などのブラケット部などとして設けたものとすることができる。

入射補正曲面は、凹面形入射双面の対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に入射した光束を、周壁凸面形出射双面の周壁反射補正曲面に向け屈折誘導し、および／または、凸面形出射双面に向けて屈折誘導する機能を分担し、後述する実施例に示すように、凹面形入射双面の仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面として設けたものとするのがよく、周壁反射補正曲面は、該入射補正曲面から入射および屈折した光束を、凸面形出射双面向けて反射誘導する機能を担い、より具体的には、周壁凸面形出射双面の対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、該入射補正曲面を通過し、仮想Ｙ―Ｚ面の無限方向に向かおうとする光束を、仮想軸心Ｙ線に平行寄りか、平行か、または、交叉するかの少なくとも何れか一つとするよう反射誘導可能とする滑らかな連続曲面として設けたものとするのがよい。

出射補正曲面は、周壁反射補正曲面に反射し、凸面形出射双面の対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲を通過する光束を、仮想Ｘ線の正方向から正無限大寄り、および、仮想Ｘ線の負方向から負無限大寄りに、夫々傾けるよう誘導可能とする機能を分担し、凸面形出射双面の対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に設け、周壁反射補正曲面に反射し、仮想Ｘ線の正から負方向に傾こうとする光束、および、仮想Ｘ線の負から正方向に傾こうとする光束を、仮想Ｘ線の正方向から正無限大寄り、および、仮想Ｘ線の負方向から負無限大寄りに、夫々傾けるよう、光線誘導可能な曲面からなるものとすべきであり、後述する実施例に示すように、凸面形出射双面に滑らかに連続する曲面にすると好都合のものとなる。
以下では、図面に示すこの発明を代表する実施例と共に、その構造について詳述することとする。

図面は、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズの技術的思想を具現化した代表的な幾つかの実施例を示すものである。
ＬＥＤ用配光制御レンズ凸面形出射双面を示す斜視図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ凹面形入射双面を示す斜視図である。を示す正面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズのワイヤーフレームモデルを示す正面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズのワイヤーフレームモデルを示す仮想Ｙ−Ｚ断面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズを示す平面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズを示す下面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズを通過する光束を示す正面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズを通過する光束を示す仮想Ｙ−Ｚ断面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す正面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す仮想Ｙ−Ｘ断面図である。 他のＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す正面図である。 他のＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す平面図である。 他のＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す下面図である。 他のＬＥＤ用配光制御レンズ取着脚部を示す仮想Ｙ−Ｘ断面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズの配光性能解析結果を示す規格化ファーフィールド分布図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズの配光性能解析結果を示す規格化ファーフィールド分布断面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズの配光性能解析結果を示す仮想Ｘ線を軸に４０°傾けた平面上の照度分布図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ採用照明灯具を千鳥配置した場合の照明性能解析結果を示す路面照度分布図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズの配光性能解析結果を示す色解析図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ採用照明灯具を千鳥配置した場合の照明性能解析結果を示す路面色分布図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ採用照明灯具を示す平面図である。 ＬＥＤ用配光制御レンズ採用照明灯具を示す図２１中Ａ―Ａ線断面図である。 トンネル内路面照度解析の灯具設置条件を示すトンネル天井の下面図である。 トンネル内路面照度解析の灯具設置条件を示すトンネル車両通行方向における正面図である。

図１ないし図１０に示す事例は、ＬＥＤ５光源面５０の中央を仮想原点Ｏとし、該仮想原点Ｏに垂直な仮想軸心Ｙ線、該仮想原点Ｏで仮想軸心Ｙ線に直交し、互いも直交する仮想Ｘ線および仮想Ｚ線を設定し、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ５光源面５０からの光束６を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点Ｏから正負無限大双方向に向け、拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面２を設け、該凹面形入射双面２とはレンズ肉厚分を挟む反対がわの、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ５光源面５０からの光束６を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点Ｏから正負無限大双方向に向け、拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面３を設けてなるものとした、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズにおける代表的な一実施例を示すものである。

それら各図からも明確に把握できるとおり、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズ１は、その全体をＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）によって一体成型し、配光制御対象となるＬＥＤ５光源面５０の中央を仮想原点Ｏとし、該仮想原点Ｏから垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点ＯからＬＥＤ５光源面５０に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と仮想原点Ｏで直交する仮想Ｚ線とを設定した場合、該ＬＥＤ５光源面５０に対し、例えば０．５ｍｍの所定間隙ｄを隔てて対峙する光源平行仮想面５１上に、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ５光源面５０が発する光束６を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面２を設け、該凹面形入射双面２とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ５光源面５０が発する光束６を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面３を設けたものである。

該凹面形入射双面２外周縁から該凸面形出射双面３外周縁までの周壁面には、凹面形入射双面２に入射した光束６を、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、二叉に分岐状拡散するよう、該凸面形出射双面３外周縁から該凹面形入射双面２外周縁に掛けて、仮想軸心Ｙ線の無限大がわから仮想原点に近づくに従い、仮想Ｘ線正負無限大双方向に向け漸次延伸する対称曲面形とした周壁凸面形出射双面４を設けたものとしている。

当該凹面形入射双面２は、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、周壁凸面形出射双面４に反射するよう誘導可能な、入射補正曲面２０を有すると共に、周壁凸面形出射双面４には、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、該入射補正曲面２０を通過し、仮想Ｙ―Ｚ面の無限方向に向かおうとする光束６を、仮想軸心Ｙ線に平行寄りか、平行か、または、交叉するかの少なくとも何れか一つとするよう、反射誘導可能な周壁反射補正曲面４０を設けている。

凸面形出射双面３が、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、仮想Ｘ線の正から負方向に傾こうとする光束６、および、仮想Ｘ線の負から正方向に傾こうとする光束６を、仮想Ｘ線の正方向から正無限大寄り、および、仮想Ｘ線の負方向から負無限大寄りに、夫々傾けるよう、光線６誘導可能な出射補正曲面３０を設けている。

周壁凸面形出射双面４が、光束６の拡散および収束に影響を及ぼさない外がわの、仮想Ｘ線上正負無限大方向外下端となる２箇所、夫々にネジ装着孔４２を穿孔し、水平接地面４３を有する取着脚部４１，４１を一体化してなるものとしている。
図１１ないし図１４に示すように、取着脚部４１，４１は、仮想Ｚ線方向正負無限大方向外下端となる２箇所、夫々にネジ装着孔４２を穿孔し、水平接地面４３を有するものとして一体化可能である。

（実施例１の作用・効果）
以上のとおりの構成からなるこの発明のＬＥＤ用配光制御レンズ１は、図７ないし図１０および表１示すように、例えば、シャープ株式会社製、メガ銭型ＬＥＤ５光ＬＥＤ源面５０中央仮想原点Ｏ上に、各凹面形入射双面２の仮想軸心Ｙ線を一致させて、相互間に０．５ｍｍの隙間ｄを確保するよう対峙させるよう組み合わせ、該ＬＥＤ５を発光させると、図１５ないし図１７に示すよう、仮想軸心Ｙ線上に光束を集中することなく、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能なものとなり、仮想Ｘ線の方向により広い照度分布を得ることが可能となり、こうした配光制御特性は、後述するようトンネル照明に活かすことができる。

図７ないし図１０、および図２１ないし図２４に示すように、直方体状のＬＥＤ照明灯具Ｌ筺本体Ｂ内に組み込む放熱性素材製の基板ユニットＵ表面上に対し、例えば、縦４個の横２列の計８個のＬＥＤ５，５，……を、適宜間隔隔てて整列するよう搭載し、各ＬＥＤ５，５，……１個に対し１個ずつ組み込むものとし、各ＬＥＤ光源面５０中央仮想原点Ｏ上に、各ＬＥＤ用配光制御レンズ１凹面形入射双面２の仮想軸心Ｙ線を一致させ、相互間に０．５ｍｍの隙間ｄを確保するよう対峙させると共に、仮想Ｘ線方向を、筺本体Ｂの直方体形状の長辺に平行とするよう配した上、各取着脚部４１，４１を該基板ユニットＵ表面に対し、ネジ４４，４４にて位置決め結合したものとすることができ、図２３および図２４に示すように、当該ＬＥＤ照明灯具Ｌは、高さＨ１＝５．５ｍ、巾Ｗ＝９．０ｍ、奥行きＥ＝７２．０ｍのトンネルＴに対し、その複数個を、所定取付高さＨ２＝５．０ｍのトンネル天井に沿って、奥行き方向の所定間隔置き毎（Ｄ＝９．１ｍ毎）、左右側壁から所定間隔Ｃ＝１．０ｍ内側となる位置に左右千鳥配置とし、道路面Ｒ巾（Ｗ＝９．０ｍ）中央に向け、所定傾斜角度Ｐ＝４０°の下向き傾斜角度とするよう設置したものとすると、図１８ないし図２０に示すように、路面照度分布に斑が少なく均質、且つ、広範囲に適度に拡散し、効率的に道路面Ｒ巾の巾全体（Ｗ）を安全なレベルに照明することができるものとなる。

（結 び）
叙述の如く、この発明のＬＥＤ用配光制御レンズは、その新規な構成によって所期の目的を遍く達成可能とするものであり、しかも製造も容易で、従前からのＬＥＤ照明技術に比較して、照明の目的に最適な配光制御を容易に実現化することができ、光源の姿勢設定用部品類などを不要とし、灯具装置類の小型化および薄型化を実現化し、軽量且つ低廉化して遥かに経済的なものとすることができる上、従前までは、設置場所の条件に応じて各ＬＥＤ素子の組込み角度を個別に調節しなければならなかったが、当該レンズを組み込むだけで、各ＬＥＤ素子の個別調整を不要とし、光束の均質な拡散を実現化し、製造作業性およびメンテナンス作業性を大幅に改善し得るものとなることから、経費節減と作業効率の向上とを目指す、照明機器製造業界および照明関連商品を取り扱う流通業界は固よりのこと、道路用照明機器やトンネル用照明機器などを設置する道路管理者においても高い評価を得て、広範に渡って利用、普及していくものになることが予想される。

１ ＬＥＤ用配光制御レンズ
２ 凹面形入射双面
２０ 同 入射補正曲面
３ 凸面形出射双面
３０ 同 出射補正曲面
４ 周壁凸面形出射双面
４０ 同 周壁反射補正曲面
４１ 同 取着脚部
４２ 同 ネジ装着孔
４３ 同 水平接地面
４４ 同 ネジ
５ ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）
５０ 同 ＬＥＤ光源面
５１ 同 光源平行仮想面
６ 光束
Ｏ 仮想原点（ＬＥＤ光源面５０中央）
Ｙ 仮想軸心Ｙ線
Ｘ 仮想Ｘ線
Ｚ 仮想Ｚ線
ｄ ＬＥＤ光源面５０とレンズとの間隙
Ｌ ＬＥＤ照明灯具
Ｂ 筺本体
Ｕ 基板ユニット
Ｔ トンネル
Ｒ 道路（路面）
Ｈ１ トンネル天井の高さ
Ｗ トンネルＴの巾
Ｅ トンネルＴの奥行き
Ｈ２ 灯具取付高さ
Ｄ 奥行き方向の灯具取付間隔
Ｃ トンネル側壁からの取付間隔
Ｐ 灯具取付角度

Claims (6)

1. ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点に垂直な仮想軸心線、該仮想原点で仮想軸心線に直交し、互いも直交する仮想Ｘ線および仮想Ｚ線を設定し、該仮想軸心Ｙ線に中心が一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点から正負無限大双方向に向け、拡散可能な対称形とするようにした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわの、該仮想軸心Ｙ線に中心が一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、光源面からの光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想原点から正負無限大双方向に向け、拡散且つ収束可能な対称形とした凸面形出射双面を設けてなるものとしたことを特徴とするＬＥＤ用配光制御レンズ。
2. 配光制御対象ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点から垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と直交する仮想Ｚ線とを設定し、ＬＥＤ光源面に対し所定間隙を隔てて対峙する光源平行仮想面上に、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面を設け、１つのＬＥＤ光源面から発する光束を、該仮想軸心Ｙ線を中心に、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形をなすよう二叉に拡散、且つ収束するよう光線誘導し、仮想Ｚ線方向に広く、仮想Ｘ線方向にはより長い広範囲を均質に照明可能としてなるものとしたことを特徴とするＬＥＤ用配光制御レンズ。
3. 配光制御対象ＬＥＤ光源面の中央を仮想原点とし、該仮想原点から垂直に無限大方向に延びる仮想軸心Ｙ線を設定し、該仮想原点からＬＥＤ光源面に平行な正負無限大方向に延び、該仮想軸心Ｙ線に直交する仮想Ｘ線と、該仮想Ｘ線と直交する仮想Ｚ線とを設定し、ＬＥＤ光源面に対し所定間隙を隔てて対峙する光源平行仮想面上に、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散可能な対称曲面形とした凹面形入射双面を設け、該凹面形入射双面とはレンズ肉厚分を挟む反対がわ面であって、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、ＬＥＤ光源面が発する光束を、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線の正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形に分岐状拡散且つ収束可能な対称曲面形とした凸面形出射双面を設け、該凹面形入射双面外周縁から該凸面形出射双面外周縁までの周壁面には、凹面形入射双面に入射した光束を、該仮想軸心Ｙ線に中心を一致し、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、二叉に分岐状拡散するよう、該凸面形出射双面外周縁から該凹面形入射双面外周縁に掛けて、仮想軸心Ｙ線の無限大がわから仮想原点に近づくに従い、仮想Ｘ線正負無限大双方向に向け漸次延伸する対称曲面形とした周壁凸面形出射双面を設け、１つのＬＥＤ光源面から発する光束を、該仮想軸心Ｙ線を中心に、仮想Ｙ−Ｚ面を対称境界面とし、仮想Ｙ−Ｘ面上の仮想軸心Ｙ線の無限大方向、および、仮想Ｘ線上正負無限大双方向に向け、概略Ｖ字形をなすよう二叉に拡散、且つ収束するよう光線誘導し、仮想Ｚ線方向に広く、仮想Ｘ線方向にはより長い広範囲を均質に照明可能としてなるものとしたことを特徴とするＬＥＤ用配光制御レンズ。
4. 凹面形入射双面が、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、周壁凸面形出射双面に反射するよう誘導可能な、入射補正曲面を有すると共に、周壁凸面形出射双面には、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、該入射補正曲面を通過し、仮想Ｙ―Ｚ面の無限方向に向かおうとする光束を、仮想軸心Ｙ線に平行寄りか、平行か、または、交叉するかの少なくとも何れか一つとするよう、反射誘導可能な周壁反射補正曲面を設けてなるものとした、請求項１ないし３何れか一記載のＬＥＤ用配光制御レンズ。
5. 凸面形出射双面が、その対称境界面である仮想Ｙ−Ｚ面を跨ぐ両範囲に、滑らかな連続曲面からなり、仮想Ｘ線の正から負方向に傾こうとする光束、および、仮想Ｘ線の負から正方向に傾こうとする光束を、仮想Ｘ線の正方向から正無限大寄り、および、仮想Ｘ線の負方向から負無限大寄りに、夫々傾けるよう、光線誘導可能な出射補正曲面を設けてなるもおとした、請求項１ないし４何れか一記載のＬＥＤ用配光制御レンズ。
6. 周壁凸面形出射双面が、光束の拡散および収束に影響を及ぼさない外がわの適宜１箇所か、または、仮想軸心Ｙ線回りに略均衡する複数箇所かの何れか一方に、位置決め固定用の取着脚部を一体化してなるものとした、請求項１ないし５何れか一記載のＬＥＤ用配光制御レンズ。

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