JP2015207493A

JP2015207493A - Ｌｅｄ光源装置

Info

Publication number: JP2015207493A
Application number: JP2014088356A
Authority: JP
Inventors: 信二小泉; Shinji Koizumi
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2015-11-19

Abstract

【課題】従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球と置き換えが可能であり且つ電球と同等な配光特性及び輝度分布を有する、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ光源装置を提供することにある。
【解決手段】主ＬＥＤ光源１０と該主ＬＥＤ光源１０から出射された光を導光する主導光体２０を備えた主光学系２と、主光学系２の外側に位置し、副ＬＥＤ光源８０と該副ＬＥＤ光源８０から出射された光を導光する副導光体９０を備えた副光学系３とを有し、主光学系２の主導光体２０を導光された光と、副光学系３の副導光体９０を導光された光とが、主導光体２０に設けられた光出射部２１に互いに対向する方向から到達する。光出射部２１は、該光出射部２１の主導光体光出射面２１ａを覆うように内面に波長変換部材が配置されているか、又は光拡散処理が施されているキャップ４１が装着されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＥＤ光源装置に関するものであり、詳しくは、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球（特に、ソケット一体型電球）と置き換えが可能であり且つ電球と同等な配光特性及び輝度分布を有する、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ光源装置に関する。

従来、この種のＬＥＤ光源装置としては、例えば、特許文献１に「ＬＥＤバルブ」として図１１（ａ）に示す光学系を備えたものが開示されている。

それは、ＬＥＤ発光体素子１００の光照射方向前方に反射部材１０１を配設した構成からなり、反射部材１０１はＬＥＤ発光体素子１００の発光面１０２に対向する反射面１０５を備えており、該反射面１０５は頂部１０３をＬＥＤ発光体素子１００の発光面１０２側に向けると共に側面を中心軸１０６側に凹状に湾曲した湾曲面とする湾曲円錐状反射面１０４からなっている。

これにより、ＬＥＤ発光体素子１００からの出射光は、反射部材１０１の湾曲円錐状反射面１０４によって光照射方向の側方及び斜め後方に向けて放射状に反射される。このとき湾曲円錐状反射面１０４は反射光を出射光とする疑似光源（Ｅ）を形成し、疑似光源（Ｅ）の出射光（湾曲円錐状反射面１０４の反射光（Ｆ））は、フィラメントを有するハロゲンバルブを光源としたときの光の出射方向と略同一となり、且つ疑似光源（Ｅ）の形成位置及び発光領域の大きさはハロゲンバルブの配置位置及び大きさと略同一とすることが可能である、とされている。

特許第４６８９７６２号公報

ところで、上記特許文献１で開示されたＬＥＤバルブは、疑似光源（Ｅ）からの出射光、つまり湾曲円錐状反射面１０４による反射光（Ｄ）が図１１（ｂ）に示すように、湾曲円錐状反射面１０４を投影して内側に凹んだ一対の脚を有する湾曲台形状の配光パターン１０７を形成する。そのため、疑似光源（Ｅ）からの出射光は、一定の径でコイル状に巻回されたフィラメントからの出射光とは異なる配光パターンを形成する。

換言すると、疑似光源（Ｅ）は配光特性に関しては、巻径を徐々に変えて湾曲円錐状に巻回したコイル状のフィラメント（Ｆ）からなる光源に相当するものである。そのため、疑似光源（Ｅ）を灯具内に配設した場合、疑似光源（Ｅ）からの出射光のうち疑似光源（Ｅ）の、フィラメントの大径で巻回された部分に対応する位置からの出射光は、灯具の配光制御系によって広がる方向に配光制御され、フィラメントの小径で巻回された部分に対応する位置からの出射光は、集光する方向に配光制御される。

その結果、疑似光源（Ｅ）を配設した灯具は、一定の径でコイル状に巻回されたフィラメントからなる発光源を配設した本来の灯具による配光特性及び輝度分布と同等な配光特性及び輝度分布を得ることは難しい。

また、疑似光源（Ｅ）となる湾曲円錐状反射面１０５を備えた反射部材１０１は、該反射部材１０１を支持する支柱が必要であり、該支柱は灯具内の限られたスペースにおいては反射部材１０１の近傍に配置する必要があり、そのため、疑似光源（Ｅ）からの出射光を遮って影を形成する要因となる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球と置き換えが可能であり且つ電球と同等な配光特性及び輝度分布を有する、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、主ＬＥＤ光源と、前記主ＬＥＤ光源の上方に配置されており、前記主ＬＥＤ光源側に位置する複数の主導光体光入射面に入射した前記ＬＥＤ光源から出射される光を、前記複数の主導光体光入射面の反対側に位置する光出射部まで導光させ、且つ該光出射部の主導光体光出射面から出射させる主導光体と、前記主導光体の周囲に所定の間隔で配置された複数の副ＬＥＤ光源と、前記主導光体の外側に該主導光体を取り囲むように設けられており、前記副ＬＥＤ光源側に位置する副導光体光入射面に入射した前記副ＬＥＤ光源から出射される光を、前記副導光体光入射面の反対側に位置する副導光体光出射面まで導光させると共に、前記主ＬＥＤ光源から出射された光の導光方向と略反対方向から、前記主導光体の前記光出射部に入射させ、前記主導光体光出射面から出射させる副導光体と、前記主導光体光出射面を覆うように装着されており、前記主導光体光出射面から出射した光が内面から入射して、その入射光が通過して外面から出射する中空形状のキャップと、を有し、前記キャップの内面には波長変換部材が配置されているか、又は光拡散処理が施されていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記主導光体の複数の主導光体光入射面は、前記主ＬＥＤ光源を通る光軸と同一線上に位置する前記主導光体の中心軸を回転軸とする前記主ＬＥＤ光源側に凹状の回転非球面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の周縁部から前記主ＬＥＤ光源側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く略線分を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる第２光入射面と、前記第１光入射面及び前記第２光入射面の外側に位置し前記中心軸に対して離れる方向に延びる円弧を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた環状曲面からなる第３光入射を有し、前記第１光入射面は前記中心軸上に焦点を有すると共に、前記第３光入射面は前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点とは異なる位置に中心を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は請求項２において、前記主導光体には、前記複数の光入射面の少なくとも１つから入射した光を反射する内部反射面を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記内部反射面は、前記第２光入射面の前記主ＬＥＤ光源側の周端部と前記第３光入射面の内周縁部を結び前記主ＬＥＤ光源と反対側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた回転非球面からなり、前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点及び前記第３光入射面の中心とは異なる位置に焦点を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項３又は請求項４において、前記主ＬＥＤ光源を側方から囲むように環状のリフレクタが設けられ、該リフレクタの前記主ＬＥＤ光源と対向する側の面を光反射面とすると共に、前記主ＬＥＤ光源からの光が該光反射面で反射されて前記主導光体の複数の光入射面の１つから主導光体内に入射されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項５において、前記リフレクタの光反射面は、前記主ＬＥＤ光源の位置を第１焦点の位置とし前記中心軸を回転軸とする回転楕円面からなり、前記中心軸上の、前記第３光入射面の中心と同一位置に第２焦点を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項５又は請求項６において、前記主ＬＥＤ光源から出射した相対的に輝度の高い光は、前記第１光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が最も長い領域に至り、相対的に輝度の中位の光は、前記第２光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が中間の領域に至り、相対的に輝度の低い光は、前記リフレクタの光反射面で反射されて前記第３光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が最も短い領域に至ることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項１〜請求項７のいずれかにおいて、前記主導光体は、中空部を挟んで主ＬＥＤ光源側導光部と光出射面側導光部の２つの導光部分に分割した構成となっていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項９に記載された発明は、請求項１〜請求項８のいずれかにおいて、前記副導光体は、一端側に開口を有する略筒状を呈し、前記副ＬＥＤ光源と対向する開口端面を前記副導光体光入射面とし、前記開口端部側の肉厚が厚く前記開口と反対側に向かって前記略筒状の中心軸に対して径方向に適宜に湾曲しながら徐々に肉厚が薄くなるとと共に前記開口と反対側が前記中心軸方向に絞り込まれて先端部が柱状となり、前記柱状の先端部の先端面が前記主導光体の前記光出射部の先端面に面接触していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項１０に記載された発明は、請求項９において、前記副導光体は、外面の、前記中心軸との交点を含む近傍領域の所定の範囲に遮光部が設けられていることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ光源装置は、主ＬＥＤ光源と該主ＬＥＤ光源から出射された光を導光する主導光体を備えた主光学系と、主光学系の外側に位置し、副ＬＥＤ光源と該副ＬＥＤ光源から出射された光を導光する副導光体を備えた副光学系とを有し、主光学系の主導光体を導光された主ＬＥＤ光源からの出射光と、副光学系の副導光体を導光された副ＬＥＤ光源からの出射光とが、主導光体に設けられた光出射部に互いに対向する方向から到達する。光出射部には、該光出射部の光出射面を覆うように内面に波長変換部材が配置されているか又は光拡散処理が施されているキャップが装着されている。

これにより、キャップからの出射光は、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球と同等な配光特性及び輝度分布を有するものとなり、従来の電球と置き換えが可能となった。

従来のソケット一体型電球の説明図である。本発明のＬＥＤ光源装置に係わる実施形態の縦部分断面説明図である。ＬＥＤ光源の説明図である。主導光体の断面説明図である。主導光体及びリフレクタの説明図である。ＬＥＤ光源装置の光路説明図である。従来のソケット一体型電球を装着した灯具の説明図である。実施形態のＬＥＤ光源装置を装着した灯具の説明図である。ＬＥＤ光源装置の伝熱経路の説明図である。分割導光体の説明図である。従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１０を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は従来のソケット一体型電球の説明図、図２〜図６は従来のソケット一体型電球に代わる本発明のＬＥＤ光源装置に係わる実施形態を示す説明図であり、そのうち、図２は縦部分断面説明図、図３はＬＥＤ光源の説明図、図４は主導光体の断面説明図、図５は主導光体及びリフレクタの断面説明図、図６はＬＥＤ光源装置の光路説明図である。

従来のソケット一体型電球６０は図１にあるように、光源の電球６１と電球６１を装着する電球ソケット７０を備えている。

電球６１は、例えば、内部に窒素やアルゴン等の不活性ガスが封入されると共に、場合によっては、ヨウ素や臭素等のハロゲンガスあるいはハロゲン化合物ガスが封入されている。同時に、電球６１内部には、発光源となるコイル状に巻回されたフィラメント６２が巻回中心軸線Ａ_１が電球６１の中心軸線Ａ_２と略一致するように配置され、フィラメント６２の両端部の夫々が、電球６１に気密に貫通した一対のリード線６３、６４の該電球６１内に位置する内部リード部６３ａ、６４ａの先端部に接続されて、フィラメント６２の支持とフィラメント６２に対する電気的導通が図られている。

電球ソケット７０は、ホルダ部７１とソケット部７２で構成され、ホルダ部７１は電球６１の後端部を収容して該電球６１を電球ソケット７０に装着する。一方、ソケット部７２は、一対のリード線６３、６４の、電球６１外に位置する外部リード部６３ｂ、６４ｂに接続されて外部からの電力を受電する外部接続電極端子６５、６６を有すると共に、灯具に装着する際に該灯具の電球取付部に嵌装する部分となる。

これに対し、本発明のＬＥＤ光源装置は、上記従来のソケット一体型電球の電球ソケット７０に対してソケット部７２を共通化し、従来のソケット一体型電球の電球６１に代わるものとして、従来のソケット一体型電球の発光源であったフィラメント６２に代わって半導体発光素子（本実施形態ではＬＥＤ素子）を発光源とする光学系を構成し、電球ソケット７０の、電球６１を支持するホルダ部７１をＬＥＤ素子が搭載されたＬＥＤ光源を実装するＬＥＤ実装部として機能するものとした。

以下に、本実施形態のＬＥＤ光源装置に関わる具体的な構成について詳細に説明する。

図２より、ＬＥＤ光源装置１は、中央部に配設された主光学系２と主光学系２を取り囲むように配設された副光学系３の２つの光学系を備えている。

そのうち、主光学系２は、主ＬＥＤ光源１０と、底面側の光入射面から入射した主ＬＥＤ光源１０からの出射光を頂点側の光出射部２１まで導光する中実体からなる略円錐形状の主導光体２０と、光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１と、主導光体２０の底面側の下方に位置して主ＬＥＤ光源１０を側方から取り囲むように設けられた環状のリフレクタ３５と、により構成されている。

また、主光学系２を構成する上記光学部材（主ＬＥＤ光源１０、主導光体２０、波長変換用キャップ４１及びリフレクタ３５）以外に、主ＬＥＤ光源１０を実装する主ＬＥＤ実装基板３０、主ＬＥＤ実装基板３０上に位置して主ＬＥＤ光源１０に対して所定の位置に主導光体２０を支持するリフレクタ３５（光の反射機能も有する）、主ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５及び主導光体２０の光出射部２１以外の部分の夫々を覆うように一体に拘束する中空体からなる筒状の略円錐形状のシェード４０を備えている。シェード４０は、例えば、金属等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。

主ＬＥＤ実装基板３０は、例えば、アルミニウム等の金属基板、セラミック基板等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。

一方、副光学系３は、シェード４０の下部外側に該シェード４０の外周面に沿って所定の間隔で配置された複数の副ＬＥＤ光源８０と、副ＬＥＤ光源８０からの出射光を主導光体２０の光出射部２１の上端面２１ｂまで導光する一端開口の略筒状の副導光体９０と、により構成されている。

また、副光学系３を構成する上記光学部材（副ＬＥＤ光源８０及び副導光体９０）以外に、副ＬＥＤ光源８０を実装する副ＬＥＤ実装基板８５及び副導光体９０の開口端部を内挿して嵌合する筒状のホルダー９５を備えている。ホルダー９５は、例えば、金属等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。

副ＬＥＤ実装基板８５は主ＬＥＤ実装基板３０と同様に、例えば、アルミニウム等の金属基板、セラミック基板等の熱伝導性が良好な材料で形成されている。

主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０はいずれも図３に示すように、発光源となるＬＥＤ素子１１が基板１２にボンディングされ、該ＬＥＤ素子１１が光軸Ｘ方向の上方の外面１３を凸ドーム状の球面又は非球面とする透光性樹脂１４で樹脂封止されている。透光性樹脂１４は、ＬＥＤ素子１１を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護すると共に、ＬＥＤ素子１１の光出射面１５と界面を形成することによりＬＥＤ素子１１で発光された光をＬＥＤ素子１１の光出射面１５から透光性樹脂１４内に効率良く出射させる機能を有している。

主導光体２０は、ガラスあるいは樹脂等の透明部材（本実施形態においては石英ガラス）からなり、図４に示すように、光学系において点光源として見なすことができる発光源（本実施形態においてはＬＥＤ素子(図示せず）)を想定し、ＬＥＤ素子の光出射点Ｐを含む光軸Ｚを回転軸（中心軸）Ｚとする略回転円錐形状を呈しており、その底面側（主ＬＥＤ光源１０と対向する側）に主導光体光入射面２２と内部反射面（全反射面）２３を有し、頂点側に光出射部２１を有している。

主導光体２０を、中心軸Ｚに沿う断面で見ると、主導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を焦点Ｑの位置とし、中心軸Ｚを回転軸とする焦点Ｑ側に凹状の回転非球面からなる主導光体第１光入射面２２ａを有している。

同時に、主導光体第１光入射面２２ａの周縁部から主ＬＥＤ光源１０側に向かって中心軸Ｚに対して離れる方向に開く略線分を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる主導光体第２光入射面２２ｂを有している。

また、内部反射面２３は、主導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を焦点Ｒの位置とし、主導光体第２光入射面２２ｂの主ＬＥＤ光源１０側の周端部から主ＬＥＤ光源１０と反対側に向かって中心軸Ｚに対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた回転非球面からなる全反射面で構成されている。

主導光体光入射面２２はさらに、主導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を中心Ｏの位置とし、内部反射面２３の主ＬＥＤ光源１０と反対側の周端部から中心軸Ｚに対して離れる方向に延びる円弧を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた環状曲面からなる主導光体第３光入射面２２ｃを有している。

光出射部２１は、中心軸Ｚに沿う略円柱形状を呈しており、側面及び先端面が主導光体光出射面２１ａとなっている。

図１に戻って、主導光体２０の底面側の下方には、主ＬＥＤ実装基板３０上に位置し主ＬＥＤ光源１０を側方から囲むように設けられたリフレクタ３５を有すると共に、該リフレクタ３５は主導光体２０を下側から支持している。

また、リフレクタ３５は図５に示すように、主ＬＥＤ光源１０に対向する側の面を鏡面反射処理が施された光反射面（鏡面反射面）３５ａとしており、鏡面反射面３５ａは、主ＬＥＤ光源１０のＬＥＤ素子（図示せず）の光出射点Ｐの位置を第１焦点Ｓ_１の位置とすると共に主導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を第２焦点Ｓ_２の位置とし、主ＬＥＤ光源１０の光軸Ｚを回転軸とする回転楕円面からなっている。

したがって、主導光体２０には中心軸Ｚ上に、回転非球面からなる主導光体第１光入射面２２ａの焦点Ｑ、回転非球面からなる内部反射面（全反射面）２３の焦点Ｒ、及び回転楕円面からなる鏡面反射面３５ａの第２焦点Ｓ_２（主導光体第３光入射面２２ｃの中心Ｏと同一位置）の３つの焦点を有している。

図１に戻って、主ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５及び主導光体２０の光出射部２１以外の部分の夫々は、中空体からなる筒状の略円錐台形状のシェード４０によって覆われており、主ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５、シェード４０及び後述する副導光体９０がネジ４７によって基台４６に共締めされることにより一体に拘束されている。

主導光体２０の光出射部２１には、内面に例えば蛍光体等からなる波長変換部材４１ａが塗布された、透明部材（例えば、導光体と同様に石英ガラス）からなる中空の円筒形状の波長変換用キャップ４１が装着されている。同時に、ＬＥＤ素子には、その出射光が波長変換部材４１ａを励起して所望の波長の波長変換光を放出させる種類のものを用いる。

具体的には、ＬＥＤ素子に青色光を発光する青色ＬＥＤ素子を用い、波長変換部材４１ａに青色ＬＥＤ素子の出射光の青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いると、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光に近い色相の光を得ることができる。

また、同様にＬＥＤ素子に青色光を発光する青色ＬＥＤ素子を用い、黄色蛍光体の代わりに青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光体と赤色光に波長変換する赤色蛍光体との混合蛍光体を用いると、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が緑色蛍光体を励起することにより波長変換された緑色光と、青色光の一部が赤色蛍光体を励起することにより波長変換された赤色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光を得ることができる。

さらに、ＬＥＤ素子からの出射光の色相（波長）と蛍光体の種類とを適宜に組み合わせることにより、白色光以外の種々な色相の光を得ることができる。

ホルダー９５に開口端部が内挿された副導光体９０は略筒状を呈し、主導光体２０と同様に、ガラスあるいは樹脂等の透明部材（本実施形態においては石英ガラス）からなり、副ＬＥＤ光源８０の光出射面と対向する開口端面を副導光体光入射面９１とし、開口端部側の肉厚を厚くして副ＬＥＤ光源８０からの出射光の副導光体９０への入射効率を高めると共に開口と反対側（ＬＥＤ光源装置１においては先端部側）に向かって徐々に薄くして副導光体９０内を導光される光の光束密度を高めるように設定されている。

副導光体９０の開口と反対側は、ＬＥＤ光源装置１の中心軸Ｘの方向に絞り込まれて柱状の先端部９３が中心軸Ｘ上を主導光体２０の光出射部２１の方向に向かい、先端面（副導光体光出射面）９２が光出射部２１の上端面２１ｂに面接触している。また、副導光体９０は、開口端部から前記絞り込み部に至るまでの間が中心軸Ｘに対して径方向に適宜に湾曲しており、これにより副導光体９０内を導光される光が内部反射（全反射）を繰り返すことによって先端部９３まで効率良く導光されると共に柱状の先端部９３によって、導光されてきた光（光束）を収束するように設定されている。したがって、副導光体９０の先端部９３の先端面（光出射面）９２からは、光束密度の高い光が出射される。

なお、基台４６の下方には、該基台４６を支持し、外部接続電極端子（図示せず）を有し且つ灯具に装着する際に該灯具の電球取付部に嵌装する部分となるソケット５０を備えている。

次に、上記主光学系２及び副光学系３の夫々において、主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源６０の夫々からの出射光が進む光路について、図６を用いて詳細に説明する。

まず、主光学系２において、主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍の上方の主導光体２０の主導光体第１光入射面２２ａに向けて出射された、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の高い光Ｌ１は主導光体第１光入射面２２ａから主導光体２０内に入射し、主導光体２０内に入射した光Ｌ１は主に焦点Ｑの位置に向けて主導光体２０内を導光されて一旦焦点Ｑの位置に集光し、その後さらに主導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の主導光体光出射面２１ａの、主ＬＥＤ光源１０からの距離が最も長い領域２１ａａに至る。なお、主ＬＥＤ光源１０の光軸Ｘと主導光体２０の中心軸Ｚは同一線上に位置する。

また、主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍よりも多少傾斜した斜め上方の主導光体２０の主導光体第２光入射面２２ｂに向けて出射された、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の中位の光Ｌ２は主導光体第２光入射面２２ｂから主導光体２０内に入射し、主導光体２０内に入射した光Ｌ２は主に内部反射面（全反射面）２３に向けて主導光体２０内を導光されて内部反射面２３で焦点Ｒの位置に向けて反射（全反射）され、さらに主導光体２０内を導光されて一旦焦点Ｒの位置に集光し、その後さらに主導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の主導光体光出射面２１ａの、主ＬＥＤ光源１０からの距離が中間の領域２１ａｂに至る。

さらに、主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘに対して大きく傾斜した斜め側方のリフレクタ３５の光反射面（鏡面反射面）３５ａに向けて出射された、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の低い光Ｌ３は主に光反射面３５ａに向けて反射（鏡面反射）されて主導光体２０の主導光体第３光入射面２２ｃから主導光体２０内に入射し、主導光体２０内に入射した光Ｌ３は主に第２焦点Ｓ_２の位置に向けて主導光体２０内を導光されて一旦第２焦点Ｓ_２の位置に集光し、その後さらに主導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の主導光体光出射面２１ａの、主ＬＥＤ光源１０からの距離が最も短い領域２１ａｃに至る。

主ＬＥＤ光源１０から出射して主導光体２０内を導光されて主導光体光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃに至った光は、夫々の領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃから外部に向けて出射される。

以上のように、主光学系２においては、主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍の上方の主導光体２０の主導光体第１光入射面２２ａに向けて出射された光Ｌ１、主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍よりも多少傾斜した斜め上方の主導光体２０の主導光体第２光入射面２２ｂに向けて出射された光Ｌ２及び主ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘに対して大きく傾斜した斜め側方のリフレクタ３５の光反射面（鏡面反射面）３５ａに向けて出射された光Ｌ３の夫々の光路を形成する３つの焦点Ｑ、焦点Ｒ及び第２焦点Ｓ_２を主導光体２０の内部の中心軸Ｚ上に設けた。上述したように、主ＬＥＤ光源１０の光軸Ｘと主導光体２０の中心軸Ｚは同一線上に位置する。

これにより、主ＬＥＤ光源１０からの出射光を効率良く主導光体２０内で集光させることにより光束密度を高めた光を、主導光体２０外の波長変換用キャップ４１の波長変換部材４１ａに照射するようにした。その結果、主ＬＥＤ光源１０からの出射光が効率良く且つ高輝度で波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される。

また、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の高い光Ｌ１は主ＬＥＤ光源１０からの距離が最も長い領域２１ａａに至り、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の中位の光Ｌ２は主ＬＥＤ光源１０からの距離が中間の領域２１ａｂに至り、主ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の低い光Ｌ３は主ＬＥＤ光源１０からの距離が最も短い領域２１ａｃに至る。

そのため、主導光体２０の光出射部２１の主導光体光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃにおいては、主ＬＥＤ光源１０からの出射光が輝度と光路長との相関によりほぼ均一化された輝度分布となり、この均一な輝度分布の光を主導光体２０外の波長変換用キャップ４１の波長変換部材４１ａに照射するようにした。その結果、主ＬＥＤ光源１０からの出射光がほぼ均一な輝度分布で波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される。

また、波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される照射光は、波長変換部材４１ａの光拡散性によって拡散光として照射される。

一方、副光学系３において、副ＬＥＤ光源８０から上方の副導光体９０の肉厚の厚い部分に設けられた副導光体光入射面９１に向けて出射された光Ｌ１０は副導光体光入射面９１から効率良く副導光体９０内に入射し、副導光体９０内に入射した光Ｌ１０は副導光体９０内を内部反射（全反射）を繰り返しながら且つ光束密度を高めながら先端部９３側に導光され、先端面９２から該先端面９２が面接触する主導光体２０の光出射部２１の上端面２１ｂに向けて出射される。

副導光体９０の先端面９２から主導光体２０の光出射部２１の上端面２１ｂを介して光出射部２１内に入射した光Ｌ１０は、光出射部２１内を導光されて主導光体光出射面２１ａに至る。このとき、副導光体９０の先端面９２に最も近い領域２１ａａに至る光は相対的に輝度が高く、副導光体９０の先端面９２から中間距離にある領域２１ａｂに至る光は相対的に中位の輝度を有し、副導光体９０の先端面９２から最も遠い領域２１ａｃに至る光は相対的に輝度が低い。

これにより、主導光体２０の光出射部２１の主導光体光出射面２１ａに至る光は、主ＬＥＤ光源１０から出射して主導光体２０内を導光された光のみの場合よりも、副ＬＥＤ光源８０から出射して副導光体９０内を導光された、主導光体２０と反対方向からの光がある方が主導光体光出射面２１ａの領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃの夫々の領域に亘って更に均一化された輝度分布となる。同時に、主導光体２０の光出射部２１の主導光体光出射面２１ａに至る光の光量も増加し、高輝度の光源装置が実現できる。

このとき、主導光体光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃは、光出射部２１に装着され波長変換用キャップ４１の内面に塗布された波長変換部材４１ａに対向しており、夫々の領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃから外部に向けて出射された光は対向する波長変換部材４１ａに向けて照射され、主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０から出射して波長変換部材４１ａで波長変換された光と主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０から出射して光波長変換部材４１ａをそのまま透過した光との加法混色により主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の出射光とは異なる色調の光Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３が拡散光として波長変換用キャップ４１の外側面から外部に照射される。

その結果、主導光体２０の光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１からは、高輝度で輝度分布の均一性が良好で且つ所望する色相の拡散光が照射される。これは、波長変換用キャップ４１と同一長のフィラメントを想定したときに該フィラメントからの放射光とほとんど等価な光として見なすことができる。したがって、ＬＥＤ素子を発光源とする本発明のＬＥＤ光源装置は、従来のコイル状フィラメントを発光源とするソケット一体型電球に対して光学的且つ構造的に互換性を有するために置き換えが可能である。

なお、副光学系３を構成する副導光体９０は、主光学系２を保護する働きも有すると共に、波長変換用キャップ４１からの照射光は、該副導光体９０を透過してＬＥＤ光源装置１外に照射される。

そこで、従来のソケット一体型電球６０と波長変換用キャップ４１を装着した実施形態のＬＥＤ光源装置１を、例えばリフレクタ５６を有する同一の灯具に装着し、そのときのソケット一体型電球６０に発光源として用いられているコイル状に巻回されたフィラメント６２からの放射光（図７（従来のソケット一体型電球を装着した灯具の説明図）参照）と、ＬＥＤ光源装置１の光源として用いられている主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の夫々から出射されて主導光体２０内及び副導光体９０内の夫々を導光されて波長変換用キャップ４１から照射された照射光（図８（実施形態のＬＥＤ光源装置を装着した灯具の説明図）参照）を比較すると、フィラメント６２の巻回部の長と波長変換用キャップ４１の長さを同一長とし且つフィラメント６２と波長変換用キャップ４１の位置を同一位置とした場合、フィラメント６２からの放射光のうち所定の配光パターンの形成に寄与する光Ｌ_Ｆが配光形成に至るまでに灯具内において辿る光路は、波長変換用キャップ４１からの照射光Ｌ_Ｌにおいても同様である。そのため、波長変換用キャップ４１からの照射光Ｌ_Ｌはフィラメント６２からの放射光Ｌ_Ｆと同様の光路を経て同様の配光パターンを形成することができる。したがって、波長変換用キャップ４１は、上記光学機能的観点から同一長のフィラメントの疑似発光源（実像発光源）と見なすことができる。

さらに、副導光体９０の外面の、光軸Ｘとの交点を含む近傍領域の所定の範囲αに、例えば、黒色の塗装膜あるいは金属メッキ膜等の遮光膜４４ａによる遮光部４４が設けられている。これにより、主ＬＥＤ光源１０から出射して主導光体２０内を中心軸Ｘに沿って導光された光がそのままグレア光とならないようにグレア光の発生を防止している。

そのため、灯具に装着された従来のソケット一体型電球に換えて、本発明のＬＥＤ光源装置を装着することにより、従来のソケット一体型電球と同様の配光パターンを形成することが可能となる。加えて、発光源をフィラメントからＬＥＤ素子に換えることにより低消費電力化によるランニングコストの低減及び光源の長寿命化も図ることができる。

ところで、主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０は点灯時に発熱し、自己発熱によってＬＥＤ素子の発光効率の低下や素子寿命の低下を招く。そこで、上記構成のＬＥＤ光源装置１は図９（ＬＥＤ光源装置の伝熱経路の説明図）にあるように、主ＬＥＤ光源１０からの熱Ｈ１は主ＬＥＤ光源１０が実装された主ＬＥＤ実装基板３０及びホルダー９５を順次伝導して副導光体９０に移動し、副ＬＥＤ光源８０からの熱Ｈ２は副ＬＥＤ光源８０が実装された副ＬＥＤ実装基板８５及びホルダー９５を順次伝導して副導光体９０に移動する。

副導光体９０に移動した熱Ｈ１、Ｈ２は、筒状の副導光体９０の面積が大きい外側面９４から効率よく放散される。これにより、主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の夫々からの発熱が効率良く放熱されて主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０自体の温度上昇が抑制され、温度上昇に起因する主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の発光効率の低減による発光光量の減少が抑えられると共に、同様に主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の温度上昇に起因する主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０の夫々の劣化による発光寿命の短縮を抑制することができ、その結果、高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができる。

ところで、ＬＥＤ光源１０から出射した光は、導光体２０内を該導光体２０内の中心軸Ｚ上に設定された焦点に集光するように導光される。そのため、導光体２０の側面は光出射部２１からの照射光の光路形成にはほとんど関与しない部分である（図６参照）。

そこで、図１０（分割導光体の説明図）のように、主導光体２０を、中間部分を取り除いて中空部２４を挟んで光源側導光部２０ａと光出射側導光部２０ｂの２つの導光部分に分割した構成とすることも可能である。この場合、光源側導光部２０ａの、光出射側導光部２０ｂと対向する側の面（上面）２０ａａ及び光出射側導光部２０ｂの、光源側導光部２０ａと対向する側の面（下面）２０ｂｂはいずれも光が通過する面である。そのため、光源側導光部２０ａの上面２０ａａ及び光出射側導光部２０ｂの下面２０ｂｂの夫々は、いずれも光路形成を妨げないように通過する光の直進を維持するような形状（例えば、自由曲面）にすることが好ましい。

これにより、導光体２０の軽量化が図られ、従来のソケット一体型電球に対して置き換え可能なＬＥＤ光源装置１の軽量化及びそれに伴う、ＬＥＤ光源装置１を装着した灯具の軽量化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、波長変換用キャップ４１の内面に波長変換部材４１ａを塗布したが、波長変換部材４１ａの代わりにＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の拡散剤を塗布する方法、あるいはサンドブラスト処理、梨地処理等の拡散処理を施す方法も可能である。

これにより、ＬＥＤ光源装置１からの出射光を拡散光として照射することができると共に、主ＬＥＤ光源１０及び副ＬＥＤ光源８０からの出射光を色相を変えることなくそのまま照射光として照射することができる。また、主ＬＥＤ光源１０と副ＬＥＤ光源８０の夫々に、互いに異なる発光色を有するＬＥＤ光源を用いることにより、波長変換用キャップ４１で加法混色した光を照射することができる。

１… ＬＥＤ光源装置
２… 主光学系
３… 副光学系
１０… 主ＬＥＤ光源
１１… ＬＥＤ素子
１２… 基板
１３… 外面
１４… 透光性樹脂
１５… 光出射面
２０… 主導光体
２０ａ… 光源側導光部
２０ａａ… 上面
２０ｂ… 光出射側導光部
２０ｂｂ… 下面
２１… 光出射部
２１ａ… 主導光体光出射面
２１ｂ… 上端面
２２… 主導光体光入射面
２２ａ… 主導光体第１光入射面
２２ｂ… 主導光体第２光入射面
２２ｃ… 主導光体第３光入射面
２３… 内部反射面（全反射面）
２４… 中空部
３０… 主ＬＥＤ実装基板
３５… リフレクタ
３５ａ… 光反射面（鏡面反射面）
４０… シェード
４１… 波長変換用キャップ
４１ａ… 波長変換部材
４４… 遮光部
４４ａ… 遮光膜
４６… 基台
４７… ネジ
５０… ソケット
８０… 副ＬＥＤ光源
８５… 副ＬＥＤ実装基板
９０… 副導光体
９１… 副導光体光入射面
９２… 先端面（副導光体光出射面）
９３… 先端部
９４… 外側面
９５… ホルダー

Claims

主ＬＥＤ光源と、
前記主ＬＥＤ光源の上方に配置されており、前記主ＬＥＤ光源側に位置する複数の主導光体光入射面に入射した前記ＬＥＤ光源から出射される光を、前記複数の主導光体光入射面の反対側に位置する光出射部まで導光させ、且つ該光出射部の主導光体光出射面から出射させる主導光体と、
前記主導光体の周囲に所定の間隔で配置された複数の副ＬＥＤ光源と、
前記主導光体の外側に該主導光体を取り囲むように設けられており、前記副ＬＥＤ光源側に位置する副導光体光入射面に入射した前記副ＬＥＤ光源から出射される光を、前記副導光体光入射面の反対側に位置する副導光体光出射面まで導光させると共に、前記主ＬＥＤ光源から出射された光の導光方向と略反対方向から、前記主導光体の前記光出射部に入射させ、前記主導光体光出射面から出射させる副導光体と、
前記主導光体光出射面を覆うように装着されており、前記主導光体光出射面から出射した光が内面から入射して、その入射光が通過して外面から出射する中空形状のキャップと、を有し、
前記キャップの内面には波長変換部材が配置されているか、又は光拡散処理が施されていることを特徴とするＬＥＤ光源装置。
前記主導光体の複数の主導光体光入射面は、前記主ＬＥＤ光源を通る光軸と同一線上に位置する前記主導光体の中心軸を回転軸とする前記主ＬＥＤ光源側に凹状の回転非球面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の周縁部から前記主ＬＥＤ光源側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く略線分を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる第２光入射面と、前記第１光入射面及び前記第２光入射面の外側に位置し前記中心軸に対して離れる方向に延びる円弧を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた環状曲面からなる第３光入射を有し、前記第１光入射面は前記中心軸上に焦点を有すると共に、前記第３光入射面は前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点とは異なる位置に中心を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
前記主導光体には、前記複数の光入射面の少なくとも１つから入射した光を反射する内部反射面を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＬＥＤ光源装置。
前記内部反射面は、前記第２光入射面の前記主ＬＥＤ光源側の周端部と前記第３光入射面の内周縁部を結び前記主ＬＥＤ光源と反対側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた回転非球面からなり、前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点及び前記第３光入射面の中心とは異なる位置に焦点を有することを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ光源装置。
前記主ＬＥＤ光源を側方から囲むように環状のリフレクタが設けられ、該リフレクタの前記主ＬＥＤ光源と対向する側の面を光反射面とすると共に、前記主ＬＥＤ光源からの光が該光反射面で反射されて前記主導光体の複数の光入射面の１つから主導光体内に入射されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のＬＥＤ光源装置。
前記リフレクタの光反射面は、前記主ＬＥＤ光源の位置を第１焦点の位置とし前記中心軸を回転軸とする回転楕円面からなり、前記中心軸上の、前記第３光入射面の中心と同一位置に第２焦点を有することを特徴とする請求項５に記載のＬＥＤ光源装置。
前記主ＬＥＤ光源から出射した相対的に輝度の高い光は、前記第１光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が最も長い領域に至り、相対的に輝度の中位の光は、前記第２光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が中間の領域に至り、相対的に輝度の低い光は、前記リフレクタの光反射面で反射されて前記第３光入射面から前記主導光体内に入射して、前記主導光体光出射面の前記主ＬＥＤ光源からの距離が最も短い領域に至ることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のＬＥＤ光源装置。
前記主導光体は、中空部を挟んで主ＬＥＤ光源側導光部と光出射面側導光部の２つの導光部分に分割した構成となっていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
前記副導光体は、一端側に開口を有する略筒状を呈し、前記副ＬＥＤ光源と対向する開口端面を前記副導光体光入射面とし、前記開口端部側の肉厚が厚く前記開口と反対側に向かって前記略筒状の中心軸に対して径方向に適宜に湾曲しながら徐々に肉厚が薄くなるとと共に前記開口と反対側が前記中心軸方向に絞り込まれて先端部が柱状となり、前記柱状の先端部の先端面が前記主導光体の前記光出射部の先端面に面接触していることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
前記副導光体は、外面の、前記中心軸との交点を含む近傍領域の所定の範囲に遮光部が設けられていることを特徴とする請求項９に記載のＬＥＤ光源装置。