JP2016031846A - 発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光のロスを著しく低減して発光効率を高めて省エネルギー効果およびハイコストパフォーマンスを両立するとともに光源のビーム角（集光具合）を調整して照射範囲を調整する発光ダイオード照明装置を提供すること。
【解決手段】発光ダイオードユニット１３０が、集光レンズ１３２と基板１４０との間に配設されたレンズスペーサ１３３を有して基板面上で同心円上に複数配列され、レンズスペーサ１３３が、発光ダイオード素子１３１を収容するダイオード収容孔１３３ａを複数有し、ダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａが、発光ダイオード素子１３１の光を反射自在に設けられている発光ダイオード照明装置１００。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光ダイオード素子とこの発光ダイオード素子の光を集光する集光レンズと発光ダイオード素子を配設する基板とを備えた発光ダイオード照明装置であって、特に、高照度、メタルハライド灯、水銀灯、ＨＦ管等の代替照明で、街灯や投光機としてのＬＥＤ照明装置や室内用一般ＬＥＤ照明装置に関するものである。

従来、発光ダイオード照明装置として、発光ダイオードと、レンズと、基板を備えた照明装置が知られている（例えば、特許文献１）。
このような従来の照明装置として、例えば、図６に示すような照明装置５００がある。
従来の照明装置５００は、発光ダイオード５１０と、発光ダイオード５１０の光を集光するレンズ５２０と、発光ダイオード５１０を配設する基板５３０とを備えていた。

特開２０１０−１２３４５８号公報（特に、図２参照）

しかしながら、上述した従来の照明装置５００は、単に、発光ダイオード５１０の配光側にレンズ５２０と配置した構造であったため、発光ダイオード５１０の光の約３０％が配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光としてそのままロス（光源としての、発光効率減となるロス）となり十分な照度を得ることが困難であるという問題があった。
なお、本明細書において、配光分布の基準となる０度は、発光ダイオード素子に対して真正面である。
また、配光＋９０度方向および配光−９０度方向は、基準となる０度から横方向へそれぞれの角度だけ傾いた方向であり、＋−は任意の方向に決めてよい。

そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光のロスを著しく低減して発光効率を高めて省エネルギー効果およびハイコストパフォーマンスを両立するとともに光源のビーム角（集光具合）を調整して照射範囲を調整する発光ダイオード照明装置を提供することである。

本請求項１に係る発明は、複数の発光ダイオード素子と該発光ダイオード素子の数と同数の集光レンズとを有する発光ダイオードユニットと、前記発光ダイオード素子を配置する基板とを備えた発光ダイオード照明装置において、前記発光ダイオードユニットが、前記集光レンズと基板との間に配設されたレンズスペーサを有して前記基板面上で同心円上に複数配列され、前記レンズスペーサが、前記発光ダイオード素子を収容するダイオード収容孔を複数有し、前記ダイオード収容孔の周壁が、前記発光ダイオード素子の光を反射自在に設けられていることにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に記載された発光ダイオード照明装置の構成に加えて、前記周壁が、前記発光ダイオード素子から離間して設けられているとともに、前記集光レンズおよびレンズスペーサが、前記発光ダイオード素子に対して前記同心円の中心を基準とした放射方向に変位自在に設けられていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された発光ダイオード照明装置の構成に加えて、前記レンズスペーサが、前記発光ダイオード素子の光を透過しない材料で形成されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載された発光ダイオード照明装置の構成に加えて、前記周壁が、前記基板側から集光レンズ側へ向かって漸次拡がるテーパ状に形成されていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載された発光ダイオード照明装置の構成に加えて、前記周壁が、鏡面仕上げされていることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載された発光ダイオード照明装置の構成に加えて、前記集光レンズの外周に配設されたレンズつば部が、前記ダイオード収容孔の周壁上端に配設されたつば保持凹部に着座していることにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本発明の発光ダイオード照明装置は、複数の発光ダイオード素子とこの発光ダイオード素子の数と同数の集光レンズとを有する発光ダイオードユニットと、発光ダイオード素子を配置する基板とを備えていることにより、発光ダイオード素子が発した光を集光して照射することができるばかりでなく、以下のような特有の効果を奏することができる。

本請求項１に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、発光ダイオードユニットが、集光レンズと基板との間に配設されたレンズスペーサを有して基板面上で同心円上に複数配列され、レンズスペーサが、発光ダイオード素子を収容するダイオード収容孔を複数有し、ダイオード収容孔の周壁が、発光ダイオード素子の光を反射自在に設けられていることにより、発光ダイオード素子の周囲がダイオード収容孔の周壁で囲まれて配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光の漏れが殆どなくなるため、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光のロスを著しく低減して発光効率を高めて省エネルギー効果およびハイコストパフォーマンスを両立することができる。
また、レンズスペーサの厚みを変更するだけで発光ダイオード素子から集光レンズまでの距離が調整可能となるため、光源のビーム角（集光具合）を調整して照射範囲を調整することができる。
さらに、照明範囲の形状が円状になるため、照度などの調整を容易にすることができる。

本請求項２に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、周壁が、発光ダイオード素子から離間して設けられているとともに、集光レンズおよびレンズスペーサが、発光ダイオード素子に対して同心円の中心を基準とした放射方向に変位自在に設けられていることにより、発光ダイオード素子の配光が同心円の中心側・外側に切換自在となるため、一点に集中して照らす投光機および広域を照らす一般照明の両方として用いることができる。

本請求項３に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、請求項１または請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、レンズスペーサが、発光ダイオード素子の光を透過しない材料で形成されていることにより、ダイオード収容孔の周壁で発光ダイオード素子の光が反射されるため、散乱光の漏れを完全に防止することができる。

本請求項４に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、周壁が、基板側から集光レンズ側へ向かって漸次拡がるテーパ状に形成されていることにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光が集光レンズへ反射するため、発光効率をより高めることができる。

本請求項５に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、周壁が、鏡面仕上げされていることにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光が集光レンズへ殆どロス無く反射するため、発光効率をより一層高めることができる。

本請求項６に係る発明の発光ダイオード照明装置によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに係る発明が奏する効果に加えて、集光レンズの外周に配設されたレンズつば部が、ダイオード収容孔の周壁上端に配設されたつば保持凹部に着座していることにより、レンズスペーサが集光レンズの台座にもなるため、集光レンズを精度よく位置決めすることができる。

本発明の実施例であるＬＥＤ照明装置の概略を示す斜視図。 図１に示す符号２から視たＬＥＤ照明装置の概略を示す平面図。 発光ダイオードユニットの分解斜視図。 発光ダイオードユニットの概略を示す側断面図。 （Ａ）（Ｂ）は発光ダイオードユニットの発光ダイオード素子の中心と平凸レンズの中心とをずらしたときを示す概念図。 従来技術の照明装置内部の概略を示す側断面図。

本発明は、複数の発光ダイオード素子とこの発光ダイオード素子の数と同数の集光レンズとを有する発光ダイオードユニットと、発光ダイオード素子を配置する基板とを備えた発光ダイオード照明装置において、発光ダイオードユニットが、集光レンズと基板との間に配設されたレンズスペーサを有して基板面上で同心円上に複数配列され、レンズスペーサが、発光ダイオード素子を収容するダイオード収容孔を複数有し、ダイオード収容孔の周壁が、発光ダイオード素子の光を反射自在に設けられていることにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光のロスを著しく低減して発光効率を高めて省エネルギー効果およびハイコストパフォーマンスを両立するとともに光源のビーム角（集光具合）を調整して照射範囲を調整し、照度などの調整を容易にするものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。

例えば、レンズスペーサのダイオード収容孔の形状は、発光ダイオード素子を収容するものであれば、平面視円形、楕円形など如何なるものであっても構わない。
また、レンズスペーサの材料は、発光ダイオード素子と集光レンズとの間の距離を設けるとともに、ダイオード収容孔の周壁で光をある程度反射するものであれば如何なるものであっても構わない。

以下に、本発明の実施例である発光ダイオード照明装置としてのＬＥＤ照明装置１００について、図１乃至図５に基づいて説明する。
ここで、図１は、本発明の実施例であるＬＥＤ照明装置１００の概略を示す斜視図であり、図２は、図１に示す符号２から視たＬＥＤ照明装置１００の概略を示す平面図であり、図３は、発光ダイオードユニット１３０の分解斜視図であり、図４は、発光ダイオードユニット１３０の概略を示す側断面図であり、図５（Ａ）は、発光ダイオードユニット１３０の発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して平凸レンズ１３２の中心Ｃ２を同心円配列の中心Ｃ３側へずらしたときを示す概念図であり、図５（Ｂ）は、発光ダイオードユニット１３０の発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して平凸レンズ１３２の中心Ｃ２を同心円配列の中心Ｃ３と反対側へずらしたときを示す概念図である。

本発明の実施例であるＬＥＤ照明装置１００は、図１および図２に示すように、ケース筐体１１０と、透明樹脂カバー１２０と、発光ダイオードユニット１３０と、基板１４０とを備えている。
ケース筐体１１０の内部には、基板１４０と、複数の発光ダイオードユニット１３０とが配設されている。
また、透明樹脂カバー１２０は、ケース筐体１１０の前面に配設されている。
発光ダイオードユニット１３０は、基板１４０の面上で同心円上に複数配列されている。
これにより、照明範囲の形状が円状になる。

図３および図４に示すように、発光ダイオードユニット１３０は、複数の一例として３つの発光ダイオード素子１３１と、発光ダイオード素子１３１の数と同数であり集光レンズとしての３つの平凸レンズ１３２と、レンズスペーサ１３３と、押え板１３４とを備えている。
このうち、発光ダイオード素子１３１は、基板１４０に取り付けられ、図示しない電源から基板１４０を介して供給された電力によって発光するように設けられている。
また、発光ダイオード素子１３１は、一例として基板１４０と反対側に集光機能を有する素子一体レンズ１３１ａを有している。

平凸レンズ１３２は、発光ダイオード素子１３１の素子一体レンズ１３１ａより透明樹脂カバー１２０側に配設されている。
また、平凸レンズ１３２は、基板１４０側に平坦面と、透明樹脂カバー１２０側に向かって凸状の凸状球面とを有して、発光ダイオード素子１３１の光を集光するように構成されている。

基板１４０は、発光ダイオード素子１３１を配設するとともに、図示しない電源から発光ダイオード素子１３１へ電力を供給するように構成されている。
レンズスペーサ１３３は、平凸レンズ１３２と基板１４０との間に配設され、発光ダイオード素子１３１を収容する３つのダイオード収容孔１３３ａを有している。
これにより、発光ダイオード素子１３１から平凸レンズ１３２までの距離が調整可能となる。

なお、発光ダイオード素子１３１から平凸レンズ１３２までの距離を変更するには、レンズスペーサ１３３の厚みを変更すればよい。
また、ダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａが、発光ダイオード素子１３１の光を反射自在に設けられている。
これにより、発光ダイオード素子１３１の周囲がダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａで囲まれて配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光の漏れが殆どなくなる。
本実施例において、配光分布の０度は、発光ダイオード素子１３１に対して真正面である。

押え板１３４は、レンズ挿通穴１３４ａを有し、レンズスペーサ１３３における透明樹脂カバー１２０側に配設され、平凸レンズ１３２の外周縁に形成されたレンズつば部１３２ａをレンズスペーサ１３３に対して押さえつけるように設けられている。
なお、押え板１３４は、レンズスペーサ１３３を介して基板１４０側にネジ１５０で留められている。

そして、一例として、押え板１３４におけるネジ孔１３４ｂおよびレンズスペーサ１３３におけるネジ孔１３３ｃは、基板延設方向のうちの同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向に長いスリット状の長穴から構成されている。
これにより、後述するように、押え板１３４およびレンズスペーサ１３３の位置が、基板１４０に対して基板１４０と平行な放射方向へネジ孔１３４ｂ、１３３ｃの開口範囲内で相対的に移動自在になる。

また、本実施例では、レンズスペーサ１３３が、高反射率樹脂など、発光ダイオード素子１３１の光を透過しない材料で形成されている。
ここで、発光ダイオードの光が可視光であれば、不透明または半透明の材料で形成される。
これにより、ダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａで発光ダイオード素子１３１の光が反射される。

なお、発光ダイオード素子１３１の光を透過する材料でレンズスペーサ１３３を形成する場合は、ダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａを銀メッキ加工して発光ダイオード素子１３１の光を透過しないようにしてもよい。

さらに、本実施例では、周壁１３３ａａが、基板１４０側から平凸レンズ１３２側へ向かって漸次拡がるテーパ状に形成されている。
これにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光が、平凸レンズ１３２へ反射する。

また、本実施例では、周壁１３３ａａが、鏡面仕上げされている。
これにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光が、平凸レンズ１３２へ殆どロス無く反射する。
つまり、発光ダイオード素子１３１からの散乱光を含めた光が無駄なく平凸レンズ１３２へ照射され集光率が略１００％となる。
また、ＬＥＤ照明装置１００として、明るさが従来技術と比べて約３０％向上する。
すなわち、本実施例のレンズスペーサ１３３を用いることにより、明るさが約３０％向上する。

さらに、本実施例では、平凸レンズ１３２の外周に配設されたレンズつば部１３２ａが、ダイオード収容孔１３３ａの周壁上端に配設されたつば保持凹部１３３ｂに嵌まっている。
これにより、レンズスペーサ１３３が、平凸レンズ１３２の台座にもなる。

また、本実施例では、周壁１３３ａａが、発光ダイオード素子１３１から離間して設けられているとともに、レンズスペーサ１３３が、発光ダイオード素子１３１に対して同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向に変位自在に設けられている。
これにより、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１と平凸レンズ１３２の中心Ｃ２とを揃えたりずらしたり調整自在となる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、例えば、ネジ１５０を緩めて、押え板１３４およびレンズスペーサ１３３の位置を、基板１４０に対して同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向へ相対的に移動させる。
すると、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１と平凸レンズ１３２の中心Ｃ２とが、揃ったたりずれたりする。
図５（Ａ）に示すように、平凸レンズ１３２の中心Ｃ２が、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して図中右側へずれた状態にすると、配光特性が図中右側へ偏る。
言い換えると、平凸レンズ１３２の中心Ｃ２が、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して同心円配列の中心Ｃ３側へずれた状態にすると、配光特性が同心円配列の中心Ｃ３側へ偏る。

他方、図５（Ｂ）に示すように、平凸レンズ１３２の中心Ｃ２が、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して図中左側へずれた状態にすると、配光特性が図中左側へ偏る。
言い換えると、平凸レンズ１３２の中心Ｃ２が、発光ダイオード素子１３１の中心Ｃ１に対して同心円配列の中心Ｃ３と反対側へずれた状態にすると、配光特性が同心円配列の中心Ｃ３と反対側へ偏る。

発光ダイオードユニット１３０は、１つのレンズスペーサ１３３をの位置を、基板１４０に対して同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向へ移動させることにより、複数の平凸レンズ１３２も一体に移動するので、配光の調整が容易になる。
また、複数の発光ダイオードユニット１３０が、同心円上に配列され、それぞれの発光ダイオードユニット１３０を、同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向で中心Ｃ３側・外側へ同じように移動させることにより、照明範囲の形状が円形のままで照明範囲が狭くなったり、広くなったりする。

また、必要に応じて、同心円配列の中心Ｃ３を通る所定方向上の発光ダイオードユニット１３０Ａを、前記所定方向と直交する方向上の発光ダイオードユニット１３０Ｂと比べて、同心円配列の中心Ｃ３を基準とした放射方向で中心Ｃ３側または外側にずらして、所定方向の照明範囲の形状を楕円形に調整してもよい。
本発明では、複数の発光ダイオードユニット１３０が、同心円上に配列されていることにより、特に、長方形の中で縦横並んで配列されたものと比べて、照明範囲の形状が円形のままで照明範囲を狭くしたり広くしたりの調整を容易にすることができる。

このようにして得られた本発明の実施例である発光ダイオード照明装置としてのＬＥＤ照明装置１００は、発光ダイオードユニット１３０が、集光レンズとしての平凸レンズ１３２と基板１４０との間に配設されたレンズスペーサ１３３を有して基板面上で同心円上に複数配列され、レンズスペーサ１３３が、発光ダイオード素子１３１を収容するダイオード収容孔１３３ａを複数有し、ダイオード収容孔１３３ａの周壁１３３ａａが、発光ダイオード素子１３１の光を反射自在に設けられていることにより、配光＋９０度方向および配光−９０度方向への散乱光のロスを著しく低減して発光効率を高めて省エネルギー効果およびハイコストパフォーマンスを両立することができるとともに、光源のビーム角（集光具合）を調整して照射範囲を調整することができ、照度などの調整を容易にすることができる。

また、周壁１３３ａａが、発光ダイオード素子１３１から離間して設けられているとともに、平凸レンズ１３２およびレンズスペーサ１３３が、発光ダイオード素子１３１に対して同心円の中心Ｃ３を基準とした放射方向に変位自在に設けられていることにより、一点に集中して照らす投光機および広域を照らす一般照明の両方として用いることができる。
さらに、レンズスペーサ１３３が、発光ダイオード素子１３１の光を透過しない材料で形成されていることにより、散乱光の漏れを完全に防止することができる。

また、周壁１３３ａａが、基板１４０側から平凸レンズ１３２側へ向かって漸次拡がるテーパ状に形成されていることにより、発光効率をより高めることができる。
さらに、周壁１３３ａａが、鏡面仕上げされていることにより、発光効率をより一層高めることができる。
また、平凸レンズ１３２の外周に配設されたレンズつば部１３２ａが、ダイオード収容孔１３３ａの周壁上端に配設されたつば保持凹部１３３ｂに着座していることにより、平凸レンズ１３２を精度よく位置決めすることができるなど、その効果は甚大である。

１００ ・・・ ＬＥＤ照明装置（発光ダイオード照明装置）
１１０ ・・・ ケース筐体
１２０ ・・・ 透明樹脂カバー
１３０ ・・・ 発光ダイオードユニット
１３１ ・・・ 発光ダイオード素子
１３１ａ ・・・ 素子一体レンズ
１３２ ・・・ 平凸レンズ（集光レンズ）
１３２ａ ・・・ レンズつば部
１３３ ・・・ レンズスペーサ
１３３ａ ・・・ ダイオード収容孔
１３３ａａ・・・ 周壁
１３３ｂ ・・・ つば保持凹部
１３３ｃ ・・・ ネジ孔
１３４ ・・・ 押え板
１３４ａ ・・・ レンズ挿通穴
１３４ｂ ・・・ ネジ孔
１４０ ・・・ 基板
１５０ ・・・ ネジ
５００ ・・・ 照明装置
５１０ ・・・ 発光ダイオード
５２０ ・・・ レンズ（集光レンズ）
５３０ ・・・ 基板
Ｃ１ ・・・ 発光ダイオード素子の中心
Ｃ２ ・・・ 平凸レンズの中心
Ｃ３ ・・・ 同心円配列の中心

Claims (6)

1. 複数の発光ダイオード素子と該発光ダイオード素子の数と同数の集光レンズとを有する発光ダイオードユニットと、前記発光ダイオード素子を配置する基板とを備えた発光ダイオード照明装置において、
   前記発光ダイオードユニットが、前記集光レンズと基板との間に配設されたレンズスペーサを有して前記基板面上で同心円上に複数配列され、
   前記レンズスペーサが、前記発光ダイオード素子を収容するダイオード収容孔を複数有し、
   前記ダイオード収容孔の周壁が、前記発光ダイオード素子の光を反射自在に設けられていることを特徴とする発光ダイオード照明装置。
2. 前記周壁が、前記発光ダイオード素子から離間して設けられているとともに、前記集光レンズおよびレンズスペーサが、前記発光ダイオード素子に対して前記同心円の中心を基準とした放射方向に変位自在に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード照明装置。
3. 前記レンズスペーサが、前記発光ダイオード素子の光を透過しない材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発光ダイオード照明装置。
4. 前記周壁が、前記基板側から集光レンズ側へ向かって漸次拡がるテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の発光ダイオード照明装置。
5. 前記周壁が、鏡面仕上げされていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の発光ダイオード照明装置。
6. 前記集光レンズの外周に配設されたレンズつば部が、前記ダイオード収容孔の周壁上端に配設されたつば保持凹部に着座していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の発光ダイオード照明装置。