JP2017016776A - 光束制御部材、発光装置および照明装置 - Google Patents

光束制御部材、発光装置および照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】大型化することなく、前方方向、側方方向および後方方向のすべてにバランスよく配光できる光束制御部材を提供すること。【解決手段】光束制御部材は、入射領域と、第1反射面と、第2反射面と、第3反射面と、接続面と、を有する。光軸および光軸に垂直な方向に沿う直線を含む断面において、発光素子から出射された光のうち、一部の光は、入射領域で入射した後、光軸を境界として当該入射領域と同じ側の第1反射面で反射して、当該同じ側の第2反射面から出射される。断面において、他の一部の光は、入射領域で入射して、光軸を境界として当該入射領域と同じ側の第2反射面および第3反射面の順番で反射した後、当該同じ側の接続面から出射して、光軸を挟んで反対側の第1反射面または接続面で再度入射した後に、当該反対側の第2反射面から出射される。【選択図】図7

Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材、当該光束制御部材を有する発光装置および照明装置に関する。
近年、省エネルギーや環境保全の観点から、発光ダイオード(以下、「LED」ともいう)を光源とする照明装置(例えば、LED電球)が、白熱電球または蛍光灯に代わるものとして使用されている。しかしながら、LEDを光源とする従来の照明装置は、前方(光源からの光の出射方向)のみに光を出射し、白熱電球または蛍光灯のように幅広い方向に光を出射できない。このため、従来の照明装置は、白熱電球または蛍光灯のように天井や壁面からの反射光を利用して室内を広範囲に照らすことができない。
LEDを光源とする従来の照明装置の配光特性を白熱電球または蛍光灯の配光特性に近づけるため、LEDからの出射光の配光を光束制御部材で制御することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の光束制御部材(光方向変換素子)は、発光素子(LED部)の光軸に交わるように、発光素子と対向して配置された入射面と、入射面の反対側に配置された凹状の出射面と、側方に配置され、入射面および出射面を接続する傾斜面とを有する。特許文献1に記載の光束制御部材では、発光素子から出射された光のうち、発光素子の光軸に対する出射角度が小さい光は、入射面で光束制御部材の内部に入射した後、他の面で反射せずに出射面の中央部分に到達する。そして、出射面に到達した当該光は、出射面の中央部から前方に向かって出射される。また、発光素子から出射された光のうち、発光素子の光軸に対する出射角度が大きい光は、入射面で入射した後、出射面の外縁部に到達する。出射面に到達した当該光は、出射面で反射した後、傾斜面から側方または後方に向かって出射される。また、発光素子の光軸に対する出射角度が、さらに大きい光は、入射面で光束制御部材の内部に入射した後、他の面で反射せずに傾斜面に到達する。傾斜面に到達した当該光は、傾斜面で出射面に向かって反射される。傾斜面で反射した光は、出射面から前方に向かって出射される。
特開2012−160666号公報
しかしながら、特許文献1に記載の光束制御部材には、後方に向かう光が少ないため、配光特性のバランスが悪いという問題がある。特許文献1に記載の光束制御部材において、後方に向かう光を多くするためには、入射面で入射した光のうち、大部分の光を他の面で反射させずに出射面に到達させる必要がある。特許文献1に記載の光束制御部材において、入射面で入射した光のうち、大部分の光を他の面で反射させずに出射面に到達させる方法として、出射面(径)を大きくすることが考えられる。これにより、入射面で入射した光のうち、大部分の光を、大きくした出射面に他の面で反射させずに到達させて、後方に向かう光の光量を多くすることができる。
しかしながら、出射面(径)を大きくすると、光束制御部材が大型化してしまうという問題がある。このように、従来の光束制御部材では、小型化と、配向特性のバランスの最適化とを両立させることができなかった。
そこで、本発明の目的は、小型化できるとともに、電球または蛍光灯のように、前方方向、側方方向および後方方向のすべてにバランスよく配光することができる光束制御部材を提供することである。また、本発明の別の目的は、この光束制御部材を有する発光装置および照明装置を提供することである。
本発明に係る光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、前記発光素子の光軸を含む断面において前記光軸に対して対称に形成され、前記発光素子と対向するように配置された入射領域と、前記入射領域の反対側に配置された第1反射面と、前記光軸に垂直な方向に、前記光軸に対して前記第1反射面よりも離れて配置された第2反射面と、前記光軸に沿う方向において、前記第2反射面の反対側に配置された第3反射面と、前記第1反射面および前記第3反射面を接続する接続面と、を有し、前記光軸および前記光軸に垂直な方向に沿う直線を含む断面において、前記発光素子から出射された光のうち、一部の光は、前記入射領域で入射した後、前記光軸を境界として当該入射領域と同じ側の前記第1反射面で反射して、当該同じ側の前記第2反射面から出射され、前記断面において、前記発光素子から出射された光のうち、他の一部の光は、前記入射領域で入射して、前記光軸を境界として当該入射領域と同じ側の前記第2反射面および前記第3反射面の順番で反射した後、当該同じ側の前記接続面から出射して、前記光軸を挟んで反対側の前記第1反射面で再度入射した後に、当該反対側の前記第2反射面から出射される。
また、本発明に係る発光装置は、発光素子と、本発明に係る光束制御部材と、を有し、前記光束制御部材は、前記入射領域が前記発光素子と対向するように配置されている。
また、本発明に係る照明装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置からの出射光を拡散させつつ透過させるカバーと、を有する。
本発明の光束制御部材によれば、小型化できるとともに、発光装置を有する照明装置の配光特性を白熱電球または蛍光灯の配光特性に近づけることができる。
図1は、実施の形態1に係る照明装置の断面図である。 図2A〜Dは、実施の形態1に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図3A〜Dは、比較例1に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図4A〜Dは、比較例2に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図5A〜Cは、比較例1に係る光束制御部材における光路図である。 図6A〜Cは、比較例2に係る光束制御部材における光路図である。 図7A〜Cは、実施の形態1に係る光束制御部材における光路図である。 図8は、比較例1に係る光束制御部材を有する発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。 図9は、比較例2に係る光束制御部材を有する発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。 図10は、実施の形態1に係る光束制御部材を有する発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。 図11A、Bは、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材の斜視図である。 図12A〜Dは、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材の構成を示す図である。 図13は、実施の形態2に係る照明装置の断面図である。 図14A、Bは、実施の形態2に係る光束制御部材の斜視図である。 図15A〜Dは、実施の形態2に係る光束制御部材の構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[実施の形態1]
実施の形態1では、本発明の照明装置の代表例として、白熱電球に代えて使用されうる照明装置について説明する。
(照明装置の構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る照明装置100の構成を示す図である。
図1に示されるように、照明装置100は、発光素子110および光束制御部材120を含む発光装置140と、基板150と、カバー160と、筐体170とを有する。
発光素子110は、照明装置100の光源であり、筐体170に実装されている。たとえば、発光素子110は、白色発光ダイオードなどの発光ダイオード(LED)である。発光素子110の数は、特に限定されず、1個であってもよいし、複数個であってもよい。本実施の形態では、発光素子110の数は、1個である。発光素子110は、その光軸OAが光束制御部材120と交わるように配置される。ここで、「発光素子の光軸」とは、発光素子110からの立体的な光束の中心における光の進行方向を言う。発光素子110が複数ある場合は、複数の発光素子110からの立体的な光束の中心における光の進行方向を言う。以下の説明では、発光素子110からの出射光の光軸OAに沿う出射方向を前方とし、その反対の方向を後方とする。
光束制御部材120は、発光素子110から出射された光の配光を制御する。光束制御部材120は、発光素子110の光軸OAと交わるように筐体170に配置される。本実施の形態では、光束制御部材120の形状は、回転軸RAに対して回転対称である。すなわち、本実施の形態では、光束制御部材120の回転軸RAと、中心軸CAとは一致している。また、本実施の形態では、光束制御部材120は、回転軸RA(中心軸CA)と、発光素子110の光軸OAとが一致するように配置されている。光束制御部材120の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。光束制御部材120の材料の例には、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂や、光透過性のガラスなどが含まれる。また、光束制御部材120は、例えば射出成形により製造される。例えば光束制御部材120の直径は、11.5mmであり、高さは、7mmである。本発明の特徴の一つは、光束制御部材120の形状であるため、光束制御部材120の詳細は、後述する。
基板150は、発光素子110および光束制御部材120を支持する。基板150は、筐体170上に配置されている。基板150は、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い金属からなる。基板150に高い熱伝導性を要しない場合は、基板150として、ガラス不織布にエポキシ樹脂を含浸させた樹脂製基板を用いてもよい。
カバー160は、光束制御部材120を覆い、光束制御部材120から出射した光を拡散させつつ透過させる。カバー160は、光透過性を有する。カバー160は、開口部を含む中空領域を有する。カバー160の中空領域内には、発光装置140が配置される。たとえば、カバー160の材料は、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)やポリカーボネート(PC)、エポキシ樹脂(EP)などの光透過性樹脂、またはガラスである。カバー160は、光拡散性も有する。カバー160に光拡散能を付与する手段は、特に限定されない。たとえば、透明な材料で作製されたカバー160の内面または外面に光拡散処理(例えば、粗面化処理)を行ってもよいし、上記の透明な材料に、ビーズなどの散乱子を含む光拡散性の材料を配合してカバー160を作製してもよい。
カバー160は、光束制御部材120の回転軸RAに対して回転対称な形状を含むことが好ましい。カバー160の形状は、例えば、回転対称な形状のみからなる形状であってもよいし、回転対称な形状の一部分を含む形状であってもよい。カバー160の形状は、光束制御部材120からの出射光の配光のバランスをさらに改善することができる形状であることが好ましい。たとえば、カバー160の形状は、後方への光の光量をより多くする観点から、カバー160の最大外径に比べてカバー160の開口部の径が小さい形状であることが好ましい。カバー160の形状は、例えば球冠形状(球面の一部を平面で切り取った形状)である。
筐体170は、発光素子110および光束制御部材120を配置した基板150と、カバー160とを筐体170の前方端部で支持する。筐体170は、光束制御部材120の回転軸RAを回転軸とする略回転対称である。筐体170は、発光素子110からの熱を放出するためのヒートシンクを兼ねている。このため、筐体170は、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い金属によって構成されていることが好ましい。
発光素子110から出射された光は、光束制御部材120によって全方向に向かうように制御される。光束制御部材120から出射された光は、カバー160を拡散しつつ透過する。
(光束制御部材の構成)
ここで、光束制御部材120について詳細に説明する。図2A〜Dは、光束制御部材120の構成を示す図である。図2Aは、実施の形態1に係る光束制御部材120の平面図であり、図2Bは、底面図であり、図2Cは、側面図であり、図2Dは、図2Aに示されるA−A線の断面図である。
図2A〜Dに示されるように、光束制御部材120は、入射領域121と、第1反射面122と、第2反射面123と、第3反射面124と、接続面125とを有する。また、本実施の形態では、光束制御部材120は、発光素子110から発せられる熱を外部に逃がすための間隙を形成するとともに、光束制御部材120を基板150に固定するための脚部126を有している(図1参照)。なお、図2A〜Dでは、脚部126を省略している。
前述したとおり、光束制御部材120は、脚部126を除いて、回転軸RA(中心軸CA)に対して回転対称である。すなわち、入射領域121と、第1反射面122と、第2反射面123と、第3反射面124と、接続面125とは、それぞれ回転対称面である。
入射領域121は、発光素子110と対向するように配置されている。入射領域121は、発光素子110から出射された光を光束制御部材120の内部に入射させる。入射領域121の形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。入射領域121は、平面であってもよいし、曲面であってもよいし、複数の面で構成されてもよい。本実施の形態では、入射領域121は、複数の面で構成されており、第1入射面121aと、第2入射面121bとを含む。
第1入射面121aは、発光素子110と対向するように配置されている、凸レンズ面である。第1入射面121aは、発光素子110から出射された光のうち、光軸OAに対する出射角度が小さい光を光束制御部材120の内部に入射させる。また、第1入射面121aは、発光素子110から出射された光を、第3反射面124に到達させずに、第1反射面122に到達するように屈折(集光)させる。第1入射面121aの形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。第1入射面121aは、平面であってもよいし、曲面であってもよいし、複数の面を有してもよい。本実施の形態では、第1入射面121aは、曲面である。また、本実施の形態では、第1入射面121aの形状は、光軸OAから離れるにつれて、発光素子110の発光面を含む平面から遠ざかるように形成されている。また、第1入射面121aは、回転軸RA(中心軸CA)を含む断面において、光軸OAから離れるにつれて、その接線の傾きが徐々に大きくなるように形成されている。
第2入射面121bは、光軸OAに垂直な方向において、第1入射面121aよりも第2反射面123側(径方向外側)に配置されている。第2入射面121bは、発光素子110から出射された光のうち、光軸OAに対する出射角度が大きい光を光束制御部材120の内部に入射させる。また、第2入射面121bは、発光素子110から出射された光のうち、光軸OAに対する出射角度が大きい光を第2反射面123に到達するように制御する。第2入射面121bの形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。第2入射面121bは、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。本実施の形態では、第2入射面121bは、1つの面である。また、本実施の形態では、第2入射面121bは、光軸OAから離れるにつれて、発光素子110の発光面を含む平面に近づくように形成されている。回転軸RAを含む断面において、第2入射面121bの形状は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。本実施の形態では、回転軸RAを含む断面における第2入射面121bの形状は、直線である。また、回転軸RAを含む断面における回転軸RAに対する第2入射面121bの傾斜角度は、特に限定されない。本実施の形態では、回転軸RAを含む断面における回転軸RAに対する第2入射面121bの傾斜角度は、射出成形時の離型を考慮して、僅かに傾斜している。
このように、第1入射面121aおよび第2入射面121bは、光束制御部材120の後方(裏面)に開口した第1凹部127の内面とも言える。本実施の形態では、第1凹部127の形状は、天面が内側に隆起した略円柱形状である。この場合、第1凹部127の内天面は第1入射面121aに相当し、第1凹部127の内側面は第2入射面121bに相当する。
第1反射面122は、入射領域121の反対側に配置されている。第1反射面122は、入射領域121で入射した光のうち、一部の光を、光軸OAを含む断面において、光軸OAを境界として第1反射面122と同じ側の第2反射面123に向けて反射させる。第1反射面122は、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。本実施の形態では、第1反射面122は、複数の面である。第1反射面122は、内側第1反射面122aと、外側第1反射面122bとを有する。内側第1反射面122aおよび外側第1反射面122bの形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。回転軸RAを含む断面において、内側第1反射面122aおよび外側第1反射面122bは、直線であってもよいし、曲線であってもよい。本実施の形態では、内側第1反射面122aおよび外側第1反射面122bは、それぞれ曲線である。また、本実施の形態では、回転軸RAを含む断面において、内側第1反射面122aおよび外側第1反射面122bは、回転軸RAから離れるにつれて、それぞれその接線の傾きが徐々に小さくなるように形成されている。
第2反射面123は、発光素子110の光軸OAに垂直な方向において、光軸OAに対して入射領域121よりも離れて(径方向外側に)配置されている。第2反射面123は、主として発光素子110から出射され、第2入射面121bで入射した光を第3反射面124に向けて反射させるか、第1反射面121aで反射した光を外部に出射させる。すなわち、第2反射面123は、到達する光に対応して、反射面として機能するか、出射面として機能する。第2反射面123は、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。本実施の形態では、第2反射面123は、1つの面である。第2反射面123の形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。回転軸RAを含む断面において、第2反射面123は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。本実施の形態では、第2反射面123は、曲線である。また、本実施の形態では、回転軸RAを含む断面において、第2反射面123は、第3反射面124に近づくにつれて光軸OAから遠ざかるように形成されている。また、第2反射面123は、回転軸RA(中心軸CA)を含む断面において、第3反射面124に近づくにつれて、その接線の傾きが徐々に大きくなるように形成されている。
第3反射面124は、各発光素子110の光軸OAに沿う方向において、第2反射面123の反対側(上側)に配置されている。より具体的には、第3反射面124は、発光素子110の発光面を含む平面に対して第2反射面123よりも離れた位置に配置されている。第3反射面124は、主として第2反射面123で反射した光を接続面125に向けて反射させる。第3反射面124は、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。本実施の形態では、第3反射面124は、1つの面である。第3反射面124の形状は、前述の機能を発揮できれば特に限定されない。回転軸RAを含む断面において、第3入射面124の形状は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。本実施の形態では、回転軸RAを含む断面における第3反射面124の形状は、曲線である。また、本実施の形態では、回転軸RAを含む断面において、第3反射面124は、第2反射面123に近づくにつれて光軸OAから遠ざかるように形成されている。また、第3反射面124は、回転軸RA(中心軸CA)を含む断面において、第2反射面123に近づくにつれて、その接線の傾きが徐々に小さくなるように形成されている。
また、本実施の形態では、光軸OAに沿う方向において、第3反射面124の一端は、第2反射面123の一端に接続されている。光軸OAに沿う方向における第2反射面123および第3反射面124の境界の位置は、第2入射面121bで入射した光が第2反射面123に到達できれば特に限定されない。本実施の形態では、当該境界は、発光素子110から出射され、第2反射面123で反射した光が第3反射面124に到達する位置に形成されている。
接続面125は、第1反射面122および第3反射面124を接続する。接続面125は、第3反射面124で反射した光を外部に出射させる。接続面125は、1つの面であってもよいし、複数の面であってもよい。本実施の形態では、接続面125は、複数の面である。本実施の形態では、接続面125は、第1接続面125aと、第2接続面125bとを含む。
第1接続面125aは、光軸OAに沿う方向において、第1反射面122側(下側)に配置されており、第2接続面125bは、発光素子110の発光面を含む平面に対して第1接続面125aより離れた位置に形成されている。また、回転軸RAを含む断面において、第1接続面125aおよび第2接続面125b(接続面125)の形状は、接続面125から出射された光が対向する第1反射面122で入射できれば特に限定されない。回転軸RAを含む断面において、第1接続面125aおよび第2接続面125bの形状は、それぞれ直線であってもよいし、曲線であってもよい。本実施の形態では、回転軸RAを含む断面において、第1接続面125aおよび第2接続面125bの形状は、いずれも直線である。回転軸RAを含む断面において、回転軸RAに対する第1接続面および第2接続面125bの傾斜角度は、特に限定されない。回転軸RAに対する第1接続面125aの傾斜角度は、0°である。すなわち、本実施の形態では、第1接続面125aは、回転軸RAに沿う方向に配置されている。また、本実施の形態では、第2接続面125bは、光軸OAから離れるにつれて、第1接続面125aから離れるように形成されている。すなわち、本実施の形態では、第2接続面125bは、射出成形時の離型を考慮して、回転軸RAに対して僅かに傾斜している。
(光束制御部材における光の光路)
本実施の形態に係る光束制御部材120における発光素子110から出射された光の光路についてシミュレーションした。また、比較のため、図3に示される比較例1に係る光束制御部材220における光路と、図4に示される比較例2に係る光束制御部材320における光路とについてもシミュレーションした。
図3は、比較例1に係る光束制御部材220の構成を示す図である。図3Aは、比較例1に係る光束制御部材220の平面図であり、図3Bは、底面図であり、図3Cは、側面図であり、図3Dは、図3Aに示されるA−A線の断面図である。
図3A〜Dに示されるように、比較例1に係る光束制御部材220は、発光素子110と対向して配置された入射面221と、入射面221の反対側に配置された反射面222と、入射面221の外縁部と反射面222の外縁部を接続する出射面223とを有し、中心軸CAを回転軸とする回転対称である。例えば、比較例1に係る光束制御部材220の直径は、35mmであり、高さは13mmである。このように、前述した本実施の形態に係る光束制御部材120と比較して、比較例1に係る光束制御部材220は、大きい。
入射面221は、平面状に形成されている。また、反射面222は、中心軸CAと交わるように形成された第1反射面222aと、第1反射面222aを取り囲むように配置された第2反射面222bとを有する。第1反射面222aは、入射面221で入射した光のうち、一部の光を中心軸CAから離れるように出射させる。第2反射面222bは、入射面221で入射した光のうち、他の一部の光を出射面223に向けて内部反射させる。出射面223は、反射面222で反射した光を外部に出射させる。
図4は、比較例2に係る光束制御部材320の構成を示す図である。図4Aは、比較例2に係る光束制御部材320の平面図であり、図4Bは、底面図であり、図4Cは、側面図であり、図4Dは、図4Aに示されるA−A線の断面図である。
図4A〜Dに示されるように、比較例2に係る光束制御部材320は、発光素子110と対向して配置された入射面321と、入射面321の反対側に配置された反射面322(第1反射面322aおよび第2反射面322b)と、入射面321の外縁部と反射面322の外縁部を接続する出射面323とを有し、中心軸CAを回転軸とする回転対称である。例えば、比較例2に係る光束制御部材320の直径は、15mmであり、高さは9.8mmである。このように、前述した本実施の形態に係る光束制御部材120と比較して、比較例2に係る光束制御部材320は、大きい。また、比較例2に係る光束制御部材320は、比較例1に係る光束制御部材220の中心軸CA近傍の一部と同じ形状である。すなわち、比較例2に係る光束制御部材320は、図3Aおよび図3Dに示される破線で示される領域に相当する形状である。
図5A〜Cは、比較例1に係る光束制御部材220における光路図である。図5A〜Cでは、回転軸RAを含む断面における光路を示している。図5Aは、発光素子110の中心から、光軸OAを境界として一方に出射された光の光路図であり、図5Bは、発光素子110の一方の端部から、外側に出射された光の光路図である。図5Cは、発光素子110の一方の端部から、光軸OA側に出射された光の光路図である。なお、図5A〜Cでは、光路を示すため、ハッチングを省略している。
図5Aに示されるように、発光素子110の中心から出射された光は、入射面221で光束制御部材220の内部に入射する。入射面221で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1反射面222aで光軸OAから遠ざかるように出射する。また、入射面221で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が大きな光は、第2反射面222bで反射して、出射面223から出射される。また、図5Bおよび図5Cに示されるように、回転軸RAを含む断面において、発光素子110の一方の端部から出射された光は、入射面221で光束制御部材220の内部に入射する。入射面221で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1反射面222aで光軸OAから遠ざかるように出射する。また、入射面221で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が大きな光は、第2反射面222bで反射して、出射面223から出射される。このとき、出射面223から出射される光のうち、大部分の光は、後方に向かって出射される。このように、比較例1に係る光束制御部材220は、比較的良好な配光のバランスを得ることができる。
図6A〜Cは、比較例2に係る光束制御部材320における光路図である。図6A〜Cでは、回転軸RAを含む断面における光路を示している。図6Aは、発光素子110の中心から、光軸OAを境界として一方に出射された光の光路図であり、図6Bは、発光素子110の一方の端部から、外側に出射された光の光路図である。図6Cは、発光素子110の一方の端部から、光軸OA側に出射された光の光路図である。なお、図6A〜Cでは、光路を示すため、ハッチングを省略している。
図6Aに示されるように、発光素子110の中心から出射された光は、入射面321で光束制御部材320の内部に入射する。入射面321で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1反射面322aで光軸OAから遠ざかるように出射する。また、入射面321で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が大きな光は、第1反射面322aで反射して、出射面323から出射される。また、図6Bおよび図6Cに示されるように、回転軸RAを含む断面において、発光素子110の一方の端部から出射された光は、入射面321で光束制御部材320の内部に入射する。入射面321で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1反射面322aで光軸OAから遠ざかるように出射する。また、入射面321で入射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が大きな光は、第1反射面322aで反射して、出射面323から出射される。このように、比較例2に係る光束制御部材320は、比較例1に係る光束制御部材220の径を小さくした形状であるため、比較例1の光束制御部材220と比較して、配光のバランスが悪化してしまった。
図7A〜Cは、本実施の形態に係る光束制御部材120における光路図である。図7A〜Cでは、回転軸RAを含む断面における光路を示している。図7Aは、発光素子110の中心から出射された光の光路図であり、図7Bは、発光素子110の一方の端部から、外側に出射された光の光路図である。図7Cは、回転軸RAを含む断面において、発光素子110の一方の端部から、光軸OA側に出射された光の光路図である。なお、図7A〜Cでは、光路を示すため、ハッチングを省略している。
図7Aに示されるように、発光素子110の中心から出射された光は、入射領域121で光束制御部材120の内部に入射する。より具体的には、発光素子110の中心から出射された光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1入射面121aで入射する。第1入射面121aで入射した光は、光軸OAを境界として当該第1入射面121aと同じ側の第1反射面122で反射して、当該同じ側の第2反射面123から出射される。このとき、第2反射面123から出射される光のうち、多くの光は、側方または後方に向けて出射される。一方、発光素子110の中心から出射された光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が大きな光は、第2入射面121bで入射する。第2入射面121bで入射した光は、回転軸RAを含む断面において、光軸OAを境界として当該第2入射面121bと同じ側の第2反射面123および第3反射面124の順番で反射した後、当該同じ側の接続面125から出射する。接続面125から出射した光は、回転軸RAを含む断面において、光軸OAを挟んで反対側の第1反射面122aまたは接続面125で再度入射した後に、当該反対側の前記第2反射面123から出射される。このとき、第2反射面123から出射される光のうち、多くの光は、後方に向けて出射される。
図7Bに示されるように、回転軸RAを含む断面において、発光素子110の一方の端部から、光軸OAを境界として、光が出射された発光面の端部と同じ側に出射された光は、同じ側の第1入射面121aおよび第2入射面121bで入射する。より具体的には、発光素子110の端部から出射された光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1入射面121aで入射する。第1入射面121aで入射した光のうち、大部分の光は、光軸OAを境界として、光が入射した第1入射面121aと同じ側の第1反射面122から外部に出射される。一方、第2入射面121bで入射した光は、光軸OAを境界として、第2入射面121bと同じ側の第2反射面123および第3反射面124で順番に反射される。第3反射面124で反射された光は、当該同じ側の接続面125で一度外部に出射される。接続面125から出射された光は、光軸OAを境界として反対側の第1反射面122で再度入射した後に、当該反対側の第2反射面124から出射される。このとき、第2反射面123から出射される光のうち、多くの光は、後方に向けて出射される。
図7Cに示されるように、回転軸RAを含む断面において、発光素子110の一方の端部から、光軸OAを境界として、光が出射された発光面の端部と反対側に出射された光は、光が出射された発光面の端部と同じ側の第1入射面121aおよび当該反対側の第2入射面121bで入射する。より具体的には、発光素子110の端部から出射された光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光は、第1入射面121aで入射する。第1入射面121aで入射した光のうち、大部分の光は、当該反対側の第2反射面123から外部に出射される。一方、第2入射面121bで入射した光は、光軸OAを境界として、第2入射面123と同じ側の第2反射面123および第3反射面124で順番に反射される。第3反射面124で反射された光は、当該同じ側の接続面125で一度外部に出射される。接続面125から出射された光は、光軸OAを境界として反対側の第1反射面122で再度入射した後に、当該反対側の第2反射面123から出射される。このとき、第2反射面123から出射される光のうち、多くの光は、後方に向けて出射される。
このように、本実施の形態に係る光束制御部材120では、発光素子110から出射された光は、前方、側方および後方に向けて出射される。すなわち、本実施の形態に係る光束制御部材120は、比較例2に係る光束制御部材320より小さいが配光のバランスが良好である。
(発光装置および照明装置の配光特性)
次に、本実施の形態に係る光束制御部材120の効果を確認するために、1個の発光素子110および光束制御部材120を有する発光装置140の配光特性と、発光装置140にカバー160を取り付けた照明装置100の配光特性とをそれぞれシミュレーションした。また、比較のため、図3に示される比較例1に係る光束制御部材220を用いた発光装置および照明装置と、図4に示される比較例2に係る光束制御部材320を用いた発光装置および照明装置とについてもシミュレーションした。各シミュレーションでは、回転軸RAと、発光素子110の発光面との交点を基準点として、回転軸RAを含む平面における全方位の相対照度を求めた。また、各シミュレーションでは、当該基準点から1000mmの距離にある仮想面における照度を算出した。
図8〜10は、比較例1、比較例2および本実施の形態に係る発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。各グラフの外側に記載されている数値は、当該基準点に対する角度(°)を示している。0°は光軸OAの方向(前方方向)、90°は水平方向(側方方向)、180°は、後方方向を示している。また、各グラフの内側に記載されている数値は、各方向の相対照度(最大値1)を示している。各グラフの実線は、発光素子110と、光束制御部材とを組み合わせた場合(発光装置)の結果を示しており、点線は、発光素子110と、光束制御部材と、カバー160を組み合わせた場合(照明装置)の結果を示している。
図8は、比較例1における発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。図8に示されるように、発光装置(実線)では、前方方向に向かう光はわずかであり、±140°近傍方向に向かう光が生成されることがわかった。これは、光束制御部材220の反射面222により、発光素子110から出射された光のうち、大部分の光が後方に向かって制御されたためだと考えられる。また、発光装置にカバー160を取り付けた照明装置(点線)では、前方方向および側方方向に向かう出射光量を均一にできているが、±140°近傍方向に向かう光が多く、光のムラがあった。
図9は、比較例2における発光装置および照明装置の配光特性を示すグラフである。図9に示されるように、発光装置(実線)では、±140°近傍方向に向かう光に加え、±50°近傍方向に向かう光が生成されることがわかった。これは、光束制御部材320の入射面321(径)が小さいため、入射面321で入射した光が出射面323で反射して、反射面322から出射されたためだと考えられる。また、発光装置にカバー160を取り付けた照明装置では、側方方向に向かう出射光量を均一にできているが、±50°近傍および±140°近傍方向に向かう光が多く、光のムラがあった。このように、比較例1の光束制御部材220は、小型化すると配光特性が劣化してしまう。
図10は、実施の形態1に係る発光装置140および照明装置100の配光特性を示すグラフである。図10に示されるように、発光装置(実線)では、前方に向かう光に加え、側方に向かう光および後方に向かう光が生成されることが分かった。これは、主として、光束制御部材120の第2反射面123および第3反射面124により後方に向かう光を生成するとともに、適度に前方および側方に光が出射されるためだと考えられた。また、発光装置140にカバー160を取り付けた照明装置100(点線)では、前方方向、側方方向および後方方向へ向かう出射光量を均等にすることにより光のムラをより低減できることがわかった。このように、本実施の形態に係る光束制御部材120は、比較例2に係る光束制御部材320より小さいが配光のバランスが良好である。
(変形例)
次に、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420について説明する。実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420は、第1入射面421aおよび第1反射面422の形状のみが実施の形態1に係る光束制御部材120と異なる。そこで、実施の形態1に係る光束制御部材120と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図11は、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420の斜視図である。図11Aは、光束制御部材420を第1反射面422側からみた斜視図であり、図11Bは、光束制御部材420を入射領域421側からみた斜視図である。また、図12A〜Dは、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420の構成を示す図である。図12Aは、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420の平面図であり、図12Bは、底面図であり、図12Cは、側面図であり、図12Dは、図12Aに示されるA−A線の断面図である。
図11A、Bおよび図12A〜Dに示されるように、実施の形態1の変形例に係る光束制御部材420は、入射領域421、第1反射面422、第2反射面123、第3反射面124および接続面425を有する。また、入射領域421は、第1入射面421aと、第2入射面421bとを有する。第1入射面421aは、内側第1入射面421cと、外側第1反射面421dと、を有する。
内側第1入射面421cは、光軸OAと交わるように配置されている。内側第1入射面421cは、発光素子110から出射した光のうち、発光素子110の光軸OAに対する出射角度が小さな光を、光軸OAから離れるように屈折させつつ、光束制御部材420の内部に入射させる。内側第1入射面421cは、光軸OAから離れるにつれて、発光素子110の発光面を含む平面に近づくように形成されている。また、光軸OAを含む断面における内側第1入射面421cの形状は、前述の条件を満たせば特に限定されない。本実施の形態では、光軸OAを含む断面における内側第1入射面421cの形状は、直線である。すなわち、内側第1入射面421cは、円錐の側面状に形成されている。
外側第1入射面421dは、光軸OAと垂直な方向において内側第1入射面421cより光軸OAから離れた位置に配置されている。外側第1入射面421dは、発光素子110から出射した光のうち、内側第1入射面421cで入射した光の入射角度より大きく、かつ第2入射面421bに入射する光の入射角度より小さい出射角度の光を、光軸OAから離れるように屈折させつつ、光束制御部材420の内部に入射させる。外側第1入射面421dの形状は、特に限定されない。外側第1入射面421dの形状は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。本実施の形態では、外側第1入射面421dの形状は、平面である。また、第1反射面422は、光軸OAと直交するように配置されている。
接続面425は、1つの面で構成されている。また、回転軸RAを含む断面において、接続面425の形状は、特に限定されない。回転軸RAを含む断面において、接続面425の形状は、直線である。回転軸RAを含む断面において、接続面425の傾斜角度は、特に限定されない。また、本実施の形態では、接続面425は、光軸OAから離れるにつれて、発光素子110の発光面を含む平面に近づくように形成されている。すなわち、本実施の形態では、回転軸RAに対して接続面425は、射出成形時の離型を考慮して、僅かに傾斜している。
(効果)
以上のように、本実施の形態に係る光束制御部材120、420を有する照明装置100は、光束制御部材120、420を小型化しても発光素子110から出射される光を制御するための第2反射面123および第3反射面124を有しているため、光束制御部材120、420が大型化することなく、適切に後方に向けて進行するように制御できる。本実施の形態に係る照明装置100は、従来の照明装置に比べて、より白熱電球に近い配光特性を示すことができる。
[実施の形態2]
次に、実施の形態2に係る照明装置500について説明する。実施の形態2では、本発明の照明装置の代表例として、蛍光灯に代えて使用されうる照明装置について説明する。
(照明装置の構成)
図13は、本発明の実施の形態2に係る照明装置500の断面図である。図14および図15は、実施の形態2に係る光束制御部材520の構成を示す図である。図14Aは、光束制御部材520を第1反射面522側から見た場合の斜視図であり、図14Bは、光束制御部材520を入射領域521側からみた斜視図である。図15Aは、実施の形態2に係る光束制御部材520の平面図であり、図15Bは、底面図であり、図15Cは、側面図であり、図15Dは、正面図である。
図13に示されるように、照明装置500は、複数の発光素子110および光束制御部材520を含む発光装置540と、基板550と、カバー560とを有する。
発光素子110は、実施の形態1に係る照明装置100に使用された発光素子110と同じである。発光装置540において、複数の発光素子110は、基板550上に一列に配置されている。発光装置540における発光素子110の数は、2以上であれば特に限定されない。光束制御部材520は、柱状に形成されている。発光装置540は、基板550上に配置されている。なお、光束制御部材520については、後述する。
カバー560は、光束制御部材520から出射された光を拡散させつつ外部に透過させる。カバー560は、発光装置540を覆うように、発光装置540に対して空気層を介して配置されている。カバー560の外面は、有効発光領域となる。カバー560の形状は、空気層を介して発光装置540を覆うことができれば、特に限定されない。図13に示される例では、カバー560は、円筒の一部を切り欠いた形状であるが、カバー560は、円筒形状などであってもよい。
図14A、Bおよび図15A〜Dに示されるように、実施の形態2に係る光束制御部材520は、柱状に形成されている。光束制御部材520は、入射領域521、第1反射面522、第2反射面523、第3反射面524および接続面525を有する。入射領域521、第1反射面522、第2反射面523、第3反射面524および接続面525は、発光素子110の光軸OAに直交する一の方向に延在している。したがって、各面は、当該方向(複数の発光素子110の配列方向)については曲率を有していない。なお、本実施の形態では、光束制御部材520は、脚部を有する必要がない。これは、光束制御部材520が発光素子110の光軸OAに直交する一の方向に延在しているため、発光素子110から発せられる熱を外部に逃がすための間隙を有するためである。
入射領域521は、発光素子110と対向するように配置されている。入射領域521は、第1入射面521aおよび第2入射面521bを含む。また、第1反射面522は、内側第1反射面522aおよび外側第1反射面522bを有する。さらに、接続面525は、第1接続面525aおよび第2接続面525bを有する。
入射領域521、第1反射面522、第2反射面523、第3反射面524および接続面525の短軸方向の断面の形状は、実施の形態1における光束制御部材120の回転軸RAを含む断面形状と同じである。また、入射領域521、第1反射面522、第2反射面523、第3反射面524および接続面525の機能は、実施の形態1における光束制御部材120の入射領域121、第1反射面122、第2反射面123、第3反射面124および接続面125の機能とそれぞれ同じである。
なお、特に図示しないが、実施の形態1と同様に、第1入射面521aは、内側第1入射面と、外側第1反射面と、を有していてもよい。この場合、内側第1入射面および外側第1反射面の機能は、実施の形態1における内側第1入射面421cおよび外側第1反射面421dと同じである。
(効果)
以上のように、実施の形態2に係る光束制御部材520は、実施の形態1に係る光束制御部材120と同様の効果を有する。本実施の形態に係る照明装置500は、従来の照明装置に比べて、より蛍光灯に近い配光特性を示すことができる。
本発明に係る光束制御部材に係る光束制御部材を有する照明装置は、白熱電球または蛍光灯に代えて使用されうるため、シャンデリアや蛍光灯、間接照明装置などの各種照明機器に幅広く適用されうる。
100 照明装置
110 発光素子
120、220、320、420、520 光束制御部材
121、421、521 入射領域
121a、421a、521a 第1入射面
121b、421b、521b 第2入射面
122、422、522 第1反射面
122a、522a 内側第1反射面
122b、522b 外側第1反射面
123、523 第2反射面
124、524 第3反射面
125、425、525 接続面
125a、525a 第1接続面
125b、525b 第2接続面
126 脚部
127 第1凹部
140、540 発光装置
150、550 基板
160、560 カバー
170 筐体
221、321 入射面
222、322 反射面
222a、322a 第1反射面
222b、322b 第2反射面
223、323、 出射面
421c 内側第1入射面
421d 外側第1入射面
CA 回転軸
OA 光軸
RA 回転軸

Claims (9)

  1. 発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材であって、
    前記発光素子の光軸を含む断面において前記光軸に対して対称に形成され、
    前記発光素子と対向するように配置された入射領域と、
    前記入射領域の反対側に配置された第1反射面と、
    前記光軸に垂直な方向に、前記光軸に対して前記第1反射面よりも離れて配置された第2反射面と、
    前記光軸に沿う方向において、前記第2反射面の反対側に配置された第3反射面と、
    前記第1反射面および前記第3反射面を接続する接続面と、
    を有し、
    前記光軸および前記光軸に垂直な方向に沿う直線を含む断面において、前記発光素子から出射された光のうち、一部の光は、前記入射領域で入射した後、前記光軸を境界として当該入射領域と同じ側の前記第1反射面で反射して、当該同じ側の前記第2反射面から出射され、
    前記断面において、前記発光素子から出射された光のうち、他の一部の光は、前記入射領域で入射して、前記光軸を境界として当該入射領域と同じ側の前記第2反射面および前記第3反射面の順番で反射した後、当該同じ側の前記接続面から出射して、前記光軸を挟んで反対側の前記第1反射面で再度入射した後に、当該反対側の前記第2反射面から出射される、
    光束制御部材。
  2. 前記入射領域は、
    前記発光素子と対向するように配置され、前記発光素子から出射された光のうち、前記光軸に対する出射角度が小さい光が入射する第1入射面と、
    前記光軸に垂直な方向において、前記第1入射面よりも前記第2反射面側に配置され、前記発光素子から出射された光のうち、前記光軸に対する出射角度が大きい光が入射する第2入射面と、
    を有し、
    前記断面において、前記第1入射面に入射した光は、前記光軸を境界として当該第1入射面と同じ側の前記第1反射面で反射して、当該同じ側の前記第2反射面から出射され、
    前記断面において、前記第2入射面で入射した光は、前記光軸を境界として当該第2入射面と同じ側の前記第2反射面および前記第3反射面の順番で反射した後、当該同じ側の前記接続面から出射して、前記光軸を挟んで反対側の前記第1反射面で再度入射した後に、当該反対側の前記第2反射面から出射される、
    請求項1に記載の光束制御部材。
  3. 前記第1入射面および前記第1反射面は、それぞれ前記光軸から離れるにつれて、前記発光素子の発光面を含む平面から遠ざかるように形成されている、
    請求項2に記載の光束制御部材。
  4. 前記第1入射面は、
    前記光軸と交わるように配置され、前記光軸から離れるにつれて、前記発光素子の発光面を含む平面に近づくように形成された内側第1入射面と、
    前記光軸と垂直な方向において前記第1内側入射面より前記光軸から離れた位置に配置された外側第1入射面と、を有する、
    請求項2に記載の光束制御部材。
  5. 前記第2反射面は、前記第3反射面に近づくにつれて、前記光軸から遠ざかるように形成され、
    前記第3反射面は、前記第2反射面に近づくにつれて、前記光軸から遠ざかるように形成されている、
    請求項1〜4のいずれか一項に記載の光束制御部材。
  6. 前記入射領域、前記第1反射面、前記第2反射面、前記第3反射面および前記接続面は、前記光軸に沿う軸を回転軸とする回転対称である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光束制御部材。
  7. 前記入射領域、前記第1反射面、前記第2反射面、前記第3反射面および前記接続面は、前記光軸に対して直交する方向に延在している、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光束制御部材。
  8. 発光素子と、
    請求項1〜7のいずれか一項に記載の光束制御部材と、を有し、
    前記光束制御部材は、前記入射領域が前記発光素子と対向するように配置されている、
    発光装置。
  9. 請求項8に記載の発光装置と、
    前記発光装置からの出射光を拡散させつつ透過させるカバーと、
    を有する、照明装置。
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