JP2015156294A - 照明装置及び光学部材 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性の高い光源からの光によってろうそくの炎のような配光特性を示す照明装置を提供する。
【解決手段】指向性の高い光を発する光源と、光源からの光が通過するように配置された一つまたは複数の透光性の内側カバー１１と、内側カバー１１の外側を覆う透光性で中空の外側カバー２１とを有し、外側カバー２１の一つ内側に配置された内側カバー１１の先端外形は、頂部に向かって先細りの形状であり、外側カバー２１は、一つ内側に配置された内側カバー１１の頂部１２の位置における光軸Ｃに垂直な断面の内寸法Ｂよりも、一つ内側に配置された内側カバー１１の頂部１２から外側カバー２１の頂部２２までの長さＡの方が長いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ろうそくの炎のような配光特性を示す照明装置に関し、特に、指向性の高い光源を備えた照明装置及び指向性の高い光をろうそくの炎のように見せるための光学部材に関する。

従来から、ろうそくの代わりに発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）を光源として利用した照明装置が提案されている。特許文献１は、ＬＥＤの上に、ろうそくの炎を模した外径形状に成形された光学部材を配置することで、ＬＥＤが発した光をろうそくの炎を模した発光状態とすることができることが開示されている。また、特許文献２には、ＬＥＤを中心に、光拡散カバーと、光拡散ランプケースを一定の間隔で二重に配設した燈明用ランプが開示されている。

また、特許文献３は、ろうそくの炎のような配光特性を得るための照明装置ではないが、ＬＥＤ照明装置の難燃性と安全性を確保し、かつ配光を制御するために、内側の第１の光学カバーと、外側の第２の光学カバーの２重構造として、いずれか一方を難燃性に優れる材料で構成し、他の一方を安全性に優れる材料で構成することが開示されている。

特開２０１３−１２０６４６号公報 特開２０００−２５１５１３号公報 特開２０１１−７６８３３号公報

特許文献１では、ろうそくの炎に似せるため、炎を模した外径形状に成形された光学部材が、頂点付近の領域において光が散乱するような散乱処理を施す必要がある。散乱処理としては、例えば、表面に凹凸を形成させる粗面処理および梨地処理や、光散乱効果を有する散乱材を光学部材５内に含ませる処理等が挙げられている。しかし、特許文献１の光学部材は、散乱処理が必要である上に、光学部材の底部から頂点にかけて散乱係数を変化させる必要があることから、より簡易な製造方法のものが求められていた。

また、特許文献２に記載されているランプは、単に光拡散カバーの全体にサンドブラストを施しただけであり、光拡散カバーで拡散した光を光拡散ランプケースによって拡散させても、ろうそくの炎の発光状態とは大きく異なるものであった。

特許文献３のＬＥＤ照明装置は、単に全周に配光範囲を広げるために、第１の光学カバー及び第２の光学カバーで光を拡散させているだけであり、ろうそくの炎のようには見えないし、見えるような配光とすることも困難であった。これは、特許文献３の第１の光学カバー及び第２の光学カバーの形状が、いずれも光軸に沿った断面において半円を描くだけであり、フレネル反射し難い形状であることから、ろうそくの炎のような複雑な配光状態にはならないためであると推測される。

本発明は、指向性の高い光源からの光によってろうそくの炎のような配光特性を示す照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明は、指向性の高い光をろうそくの炎のような配光特性に変換する光学部材を提供することを目的とする。さらに、本発明においては、従来よりも簡単に製造可能であって、低コストで製造可能な照明装置または光学部材を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するため、本発明の照明装置は、指向性の高い光を発する光源と、記光源からの光が通過するように配置された一つまたは複数の透光性の内側カバーと、 前記内側カバーの外側を覆う透光性で中空の外側カバーとを有し、前記外側カバーの一つ内側に配置された内側カバーの先端外形は、頂部に向かって先細りの形状であり、前記外側カバーは、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの頂部までの長さの方が長いことを特徴とする。

また、本発明の光学部材は、一つまたは複数の透光性の内側カバーと、前記内側カバーの外側を覆う透光性で中空の外側カバーとを有し、前記外側カバーの一つ内側に配置された内側カバーの先端外形は、頂部に向かって先細りの形状であり、前記外側カバーは、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの頂部までの長さの方が長いことを特徴とする。

さらに、上記照明装置及び光学部材において、前記外側カバーの内表面の各面は、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置よりも前記外側カバーの頂部側の領域において、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの内表面の各面の任意の点（ただし各面の境界は除く）までの長さよりも、前記任意の点における曲率半径の方が長いことが好ましい。

さらに、上記照明装置及び光学部材において、前記一つまたは複数の内側カバーは、前記外側カバーのヘーズ値と同じか、それよりも高いヘーズ値を有することが好ましい。さらに、前記一つ内側に配置された内側カバーは、内部が中空であり、内表面から外表面までの厚さが底部に比べて頂部で厚いことが好ましい。また、前記一つ内側に配置された内側カバーの外形は、ろうそくの炎を模した形状であってもよい。

本発明によれば、簡単な構造で指向性の高い光からろうそくの炎のような配光状態の照明装置を得ることができる。その他の効果については、発明を実施するための形態において述べる。

本発明の光学部材の一実施形態の断面形状を示す図 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の光学部材の変形例を示す図 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１及び２の透過光の光線経路を示す図 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１及び２の外側カバーによる反射光の光線経路を示す図 実施例１及び２の点灯状態の写真 実施例１の照明装置（実線）、ろうそくの炎（点線）及びＬＥＤ光源（一点鎖線）の配光状態を示すグラフ

本発明の光学部材は、一つまたは複数の透光性の内側カバーと、内側カバーの外側を覆う透光性で中空の外側カバーとを有している。本発明の光学部材は、指向性の高い光をろうそくの炎の配光特性に類似させるため、まず内側カバーによってろうそくの炎の中心付近に存在する高輝度の内炎領域を作り、その高輝度の内炎領域の光を外側に配置された外側カバーによって反射、屈折させることで高輝度の領域の周囲に広がる淡い明るさの外炎領域を重ねることでろうそくの炎に近い視覚効果の照明を提供することができる。

本発明の内側カバーは、一つでもよいし、複数の内側カバーを重ねて配置してもよい（図２（Ｃ）参照）。内側カバーは、高輝度の内炎領域に似せるため、先端外形が頂部に向かって先が細くなる先細りの形状を採用し、光源からの光が先端に集中し、先端部分において、広い放射角度で光が照射するようにした。先端外形としては、例えば、円錐形、角錐形、半紡錘形などが挙げられる。また、内側カバー全体が円錐形、角錐形または半紡錘形であってもよいが、頂部側に円錐形、角錐形または半紡錘形を採用し、底部側においては幅が一定の円柱、角柱などの領域やいったん広がった幅を底部側で若干狭くする領域を設け、内側カバー全体の外形としてろうそくの炎を模した形状としてもよい。

本発明の内側カバーは、内部が充填されていてもよいが、内部を中空とすることがコスト及び軽量化の点で好ましい。さらに、内部を中空とすることで、光が内側カバーの外表面だけではなく、内表面においても反射、屈折するため、より複雑な配光状態とすることができ、高輝度の内炎領域に近づかせることもできる。内部を中空とした場合、内側カバーの内表面から外表面までの厚さを底部に比べて頂部で厚くすることにより、光源からの光をより先端に集中させて高輝度とすることが好ましい。

本発明の外側カバーは、内部に内側カバーが配置されるように中空であり、一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置における光軸に垂直な断面の内寸法（図１のＢの長さ）よりも、内側カバーの頂部から外側カバーの頂部までの長さ（図１のＡの長さ）の方が長い。かかる構造は、外側カバーが内側カバーの先端に対して縦長であることを意味し、これにより、内側カバーの先端からの光の多くが外側カバーに対して斜めに入射し、内側カバーの先端に集中した光をフレネル反射させ易く構成されている。また、本発明の外側カバーの外表面及び内表面は、先端が頂部に向かって細くなるような形状、例えば、円錐形、角錐形、半紡錘形を採用することが好ましい。さらに、外側カバーの内表面の各面は、一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置よりも外側カバーの頂部側の領域（図１のＡの領域）において、内側カバーの頂部から外側カバーの内表面の各面の任意の点（ただし各面の境界は除く）までの長さよりも、各面の任意の点における曲率半径の方が長いことが好ましい。このように構成することで、外側カバーの内表面によって、内側カバーの先端から上方に向かって照射される光を観察者に向かって反射しやすくされており、外縁領域としての効果を高めることができる。内表面の各面が、ぶつかり合う境界（例えば、円柱部分と円錐部分との境界、先端の頂点）については、上記条件には含まれない。特に、内表面の先端に位置する頂点は、上記条件からは除かれる。円柱部分と円錐部分との境界が滑らかな曲面で構成されている場合は、かかる局面の曲率半径と比較される。なお、光軸を含む断面において、外側カバーの内表面の全部又は一部が曲面ではなく、平面であった場合（例えば外側カバーの先端外形が円錐形だった場合）は、曲率半径は無限大となるので、内側カバーの頂部から外側カバーの内表面の任意の点（ただし内表面の頂点は除く）までの長さよりも長くなる。

内側カバーのヘーズ値（曇り度）は、外側カバーと同じか、それよりも高いヘーズ値を有することが好ましい。ヘーズ値を高くすることで内側カバーで形成される高輝度の内炎領域の全体に光を広げ、よりろうそくの炎に近い配光特性を得ることができる。内側カバーと外側カバーとが、同じ材料を使用し、特に何らの散乱処理を施さないで製造された場合は同じヘーズ値となる。ヘーズ値を高くするため、内側カバーの材料中に散乱剤を混入させたり、別の材料を使用してもよいし、同じ材料を使用して内側カバーを成形した後、表面をやすりやサンドブラストによって粗面化してもよい。内側カバーはヘーズ値および内側カバーの厚みを調整することにより中空部（内側カバー内部）を視認できる程度の光透過性能とすることが好ましい。外側カバーは、内側カバーが視認可能な程度の光透過性能であることが好ましく、散乱性能を有していないか、内側カバーのヘーズ値以下であることが好ましい。

内側カバー及び外側カバーは、透光性を有する材料であれば、完全に透明なものでなくてもよい。材料としては、プラスチックであっても、ガラスであってもよいが、成形の容易性、コスト、軽量化の観点からプラスチックであることが好ましい。プラスチックとしては、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）等を使用することができる。また、これらの材料に散乱剤を混入させてもよいし、染料を混在させたり、コーティングすることで着色してもよい。

内側カバー及び外側カバーは比較的簡単な形状であるので、射出成形することによって大量生産することが可能である。射出成形でカバーを成形する場合、内側カバー及び外側カバーを別々に設計することが好ましい。ただし、内側カバー及び外側カバーは、図１、図２のように、別々に構成されていてもよいが、同一材料で製造する場合は、内側カバーと外側カバーを一体として成形してもよい。例えば、内側カバーの底部の外周の一部と外側カバーの底部の内周の一部とを連結させてもよい。

本発明の照明装置は、指向性の高い光を照射する光源と、上記のような光学部材とを有し、光学部材の一番内側の内側カバーの底部から、中心に光軸を併せて頂部に向けて指向性の高い光が照射される。光源から光学部材までの間に、ミラー、プリズム、光ファイバー等によって光の進行方向を変化させてもよいし、ビームスプリッタ−等によって複数の光に分割して、それぞれの光に光学部材を配置するようにしてもよい。光源として、典型的には、ＬＥＤ光源を利用することができるが、ＬＥＤ光源以外であっても指向性の高い光を照射できればよい。

図１は、本発明の光学部材の一実施形態の光軸に沿った断面形状を示している。図１の光学部材１は、上向きに尖った先端が配置された一つの内側カバー１１と、内側カバー１１の外側に、内側カバー１１を覆って、上向きに尖った先端が配置された外側カバー２１とを備えている。内側カバー１１と外側カバー２１は、中心が光軸となるように配置されている。図１において、光源は図示されていないが、光学部材１は、中心を光軸ｃとして下方から上方に指向性の高い光が照射されるように配置される。

図１の内側カバー１１は、内部が中空であり、先端に頂部１２を有し、下端に底部１３を有しており、底部１３の光軸に垂直な断面形状は円形である。内側カバー１１は、まず底部１３からほぼ均一の厚さで垂直に延びて円柱状となっているが、その後、頂部１２に向けて徐々に半紡錘形となっている。図１では、紡錘形の部分は、外表面の曲率に比べて、内表面の曲率の方が大きくなっており、頂部１２に向かって肉厚となるように構成されている。図１に示すように、底部１３における内表面から外表面までの厚さｂよりも、頂部１２における内表面から外表面までの厚さａの方を厚くすることで、内側カバー１１の先端に光を導き易くすることができる。

図１の外側カバー２１は、内部が中空であり、先端に頂部２２を有し、下端に底部２３を有しており、底部２２の光軸に垂直な断面形状は円形である。外側カバー２１は、まず底部２３からほぼ均一の厚さで垂直に延びて円柱状となっているが、その後、頂部２２に向けて半紡錘形となっている。図１の外側カバー２１は、半紡錘形の部分でもほぼ均一の厚さであり、底部２３における厚さも頂部２２における厚さもほぼ同じである。

また、外側カバー２１は、一つ内側に配置された内側カバー１１との関係において、内側カバー１１の頂部１２の位置における光軸ｃに垂直な断面の内寸法Ｂよりも、内側カバー１１の頂部１２から外側カバー２１の頂部２２までの長さＡの方が長い。つまり、外側カバー２１は、内側カバー１１の頂部１２の位置よりも頂部２２側の領域（図１のＡの領域）において、縦長の形状である。さらに、その領域Ａにおける外側カバー２１の内表面は、図１から明らかなように、頂点（頂部２２の内表面）を除く全体が緩やかな曲面となっており、内側カバー１１の頂部１２から外側カバー２１の内表面の任意の点（ただし内表面の頂点は除く）までの長さよりも、内表面の任意の点における曲率半径の方が長いことは明らかである。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の光学部材の変形例であり、いずれも内側カバーの態様を変更したものであり、外側カバー２１の形状については同じである。外側カバー２１については、図１と同様の符号を使用し、ここでは説明を省略する。

図２（Ａ）の光学部材３は、図１に比べて、内側カバー３１の形状が異なり、図１の内側カバー１１と比べると、より縦長であり、先細りの部分がより直線に近い曲線である。図２（Ａ）の内側カバー３１の内表面の形状は、外表面の形状とほぼ相似しているが、底部３３における内表面から外表面までの厚さよりも、頂部３２における内表面から外表面までの厚さの方が若干厚くなっている。また、図２（Ａ）の光学部材３においても、外側カバー２１は、内側カバー３１の頂部３２の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、内側カバー３１の頂部３２から外側カバー２１の頂部２２までの長さの方が長い。

図２（Ｂ）の光学部材４は、さらに大きな内側カバー４１を有するものであり、内側カバー４１の外表面と外側カバー２１の内表面との距離が近接している。図２（Ｂ）の内側カバー４１は、内表面と外表面との間の厚さは底部４３でも頂部４２でもほぼ均一である。また、図２（Ｂ）の光学部材４においても、外側カバー２１は、内側カバー４１の頂部４２の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、内側カバー４１の頂部４２から外側カバー２１の頂部２２までの長さの方が長い。

図２（Ｃ）の光学部材５は、２重の内側カバー５１、６１を有している。第１の内側カバー５１は、図２（Ａ）の内側カバー３１とほぼ同じであり、中空の内部又はその下に光源が配置される。第２の内側カバー６１は、図２（Ｃ）の内側カバー４１とほぼ同じであり、中空の内部に第１の内側カバー５１が配置される。図２（Ｃ）の光学部材５において、外側カバー２１は、その一つ内側の内側カバー６１の頂部６２の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、内側カバー６１の頂部６２から外側カバー２１の頂部２２までの長さの方が長い。

［実施例１］ 実施例１として、図１の形状の内側カバー１１及び外側カバー２１を有する光学部材１を使用した照明装置を製造した。図３（Ａ）は、実施例１における透過光の光線経路を光線追跡により算出した結果であり、図４（Ａ）は、実施例１における外側カバーによる反射光の光線経路を光線追跡により算出した結果である。照明装置は、図３（Ａ）に示すように、光学部材１とＬＥＤ光源２とを有しており、筐体６内に上向きに光が照射できるようにＬＥＤ光源２が埋設されており、ＬＥＤ光源２の上に中心が光軸と重なるように内側カバー１１が筐体６上に配置され、内側カバー１１の外側に中心が光軸と重なるように外側カバー２１が筐体６上に配置されている。

実施例１では、外側カバー２１は全体の高さが約３５ｍｍであり、底部の内径が約１２ｍｍであった。内側カバー１１は高さが約２０ｍｍであり、底部の内径は約８ｍｍであった。内側カバー１１及び外側カバー２１は、いずれもポリカーボネートを用いて成形されたものであるが、内側カバー１１には、散乱剤として散乱粒子が混入されており、外側カバー２１に比べてヘーズ値が高められている。

図５（Ａ）は、実施例１の照明装置を点灯した状態の写真である。内側カバー１１の先端部分において高輝度の領域があり、それが外側カバーによって反射され、内側カバー１１の頂部から縦方向に延びる線のように観察され、全体としてろうそくの炎のように見える。この点、図３（Ａ）に示すように、光源から射出された光は、内側カバー１１及び外側カバー２１を透過する際に、拡散し放射角度が広げられる。図４（Ａ）には、外側カバー２１の内表面で反射される反射光の経路を示しているが、内側カバー１１を透過した光の一部が外側カバー２１の内表面で反射され、観察者によって観察されるのである。ただし、図示していないが、本発明の光学部材では、その他に内側カバー１１の内表面による反射、内側カバー１１の外表面による反射、外側カバー２１の外表面による反射も生じており、これらの相互作用によって全体としてろうそくの炎のような配光特性となっている。

図６は、実施例１の照明装置（実線）、ろうそくの炎（点線）及びＬＥＤ光源（一点鎖線）の配光状態を示すグラフである。図６は、光源の真上を０°として、そこを中心として±９０°となる水平方向までの各放射角度の光強度を１度ごとに測定した結果である。縦軸は、最大強度を１として規格化した相対強度（任意単位）であり、横軸は、光源を中心とした放射角度（°）である。図６の点線は、参考として測定したろうそくの炎の配光状態を示しており、全放射角度において略均一な強度の光を放射している。図６の一点鎖線は、参考として測定したＬＥＤ光源の配向状態であり、ほぼ光源から真上に向かって光を放射しており、斜め方向には殆ど発光していない非常に指向性の高い光源であることを示している。図６の実線は、実施例１の照明装置の配光状態であり、一点鎖線の配光状態の指向性の高いＬＥＤ光源からの光が、光学部材によって、垂直方向の光が減って、斜め方向の光が増加し、全体として均一性が高まり、ろうそくの炎の配光状態に近いものに変化していることが確認された。

［実施例２］ 実施例２として、図２（Ａ）の形状の内側カバー３１及び外側カバー２１を有する光学部材３を使用した照明装置を製造した。図３（Ｂ）は、実施例２における透過光の光線の光路を示し、図４（Ｂ）は、実施例２における外側カバーによる反射光の光線の光路を示す。また、図５（Ｂ）は、実施例２の照明装置を点灯した状態の写真である。照明装置は、図３（Ｂ）に示すように、光学部材３とＬＥＤ光源２とを有しており、筐体６内に上向きに光が照射できるようにＬＥＤ光源２が埋設されており、ＬＥＤ光源２の上に中心が光軸と重なるように内側カバー３１が筐体６上に配置され、内側カバー１１の外側に中心が光軸と重なるように外側カバー２１が筐体６上に配置されている。

実施例２では、外側カバー２１は全体の高さが約３５ｍｍであり、底部の内径が約１２ｍｍであった。内側カバー３１は高さが約２３ｍｍであり、底部の内径は約６ｍｍであった。内側カバー３１及び外側カバー２１は、いずれもポリカーボネートを用いて成形されたものであるが、内側カバー３１には、散乱剤として散乱粒子が混入されており、外側カバー２１に比べてヘーズ値が高められている。

１ 光学部材
２ 光源
１１ 内側カバー
２１ 外側カバー

Claims (10)

1. 指向性の高い光を発する光源と、
   前記光源からの光が通過するように配置された一つまたは複数の透光性の内側カバーと、
   前記内側カバーの外側を覆う透光性で中空の外側カバーとを有し、
   前記外側カバーの一つ内側に配置された内側カバーの先端外形は、頂部に向かって先細りの形状であり、
   前記外側カバーは、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの頂部までの長さの方が長いことを特徴とする照明装置。
2. 前記外側カバーの内表面の各面は、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置よりも前記外側カバーの頂部側の領域において、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの内表面の各面の任意の点（ただし各面の境界は除く）までの長さよりも、前記任意の点における曲率半径の方が長いことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記一つ内側に配置された内側カバーの外形は、ろうそくの炎を模した形状であ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. 前記一つまたは複数の内側カバーは、前記外側カバーのヘーズ値と同じか、それよりも高いヘーズ値を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の照明装置。
5. 前記一つ内側に配置された内側カバーは、内部が中空であり、内表面から外表面までの厚さが底部に比べて頂部で厚いことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の照明装置。
6. 一つまたは複数の透光性の内側カバーと、
   前記内側カバーの外側を覆う透光性で中空の外側カバーとを有し、
   前記外側カバーの一つ内側に配置された内側カバーの先端外形は、頂部に向かって先細りの形状であり、
   前記外側カバーは、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置における光軸に垂直な断面の内寸法よりも、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの頂部までの長さの方が長いことを特徴とする光学部材。
7. 前記外側カバーの内表面の各面は、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部の位置よりも前記外側カバーの頂部側の領域において、前記一つ内側に配置された内側カバーの頂部から前記外側カバーの内表面の各面の任意の点（ただし各面の境界は除く）までの長さよりも、前記任意の点における曲率半径の方が長いことを特徴とする請求項６に記載の光学部材。
8. 前記一つ内側に配置された内側カバーの外形は、ろうそくの炎を模した形状であることを特徴とする請求項６または７に記載の光学部材。
9. 前記一つまたは複数の内側カバーは、前記外側カバーのヘーズ値と同じか、それよりも高いヘーズ値を有することを特徴とする請求項６乃至８何れか１項に記載の光学部材。
10. 前記一つ内側に配置された内側カバーは、内部が中空であり、内表面から外表面までの厚さが底部に比べて頂部で厚いことを特徴とする請求項６至９何れか１項に記載の光学部材。