JP2018088326A - Ｌｅｄ電球 - Google Patents

Abstract

【課題】従来品と比較して光取り出し効率にほとんど影響を及ぼすことなく、小型化したＬＥＤ電球を実現する。【解決手段】 ＬＥＤ電球は、基板と、基板の主面上に載置された、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子の、基板とは反対側を覆うように配置され、ＬＥＤ素子に最も近い側に位置する第一面の径よりも、ＬＥＤ素子から最も離れた側に位置する第二面の径が大きい形状を有する、レンズ部材と、レンズ部材の、第一面と第二面とを連絡する側面上に設けられた、反射部材と、を有する。ＬＥＤ素子とレンズ部材の第二面との離間距離は、ＬＥＤ素子から射出された光の一部が前記レンズ部材の第二面に臨界角以上の角度で入射される範囲内に設定されている。【選択図】 図５

Description

本発明は、ＬＥＤ電球に関する。

従来、ダウンライト用の照明器具として、ＬＥＤを搭載した照明器具が開発され、市場にも投入されている。本出願人も、過去に下記特許文献１に記載のＬＥＤ電球を開発している。

特開２０１５−１１８８７号公報

近年、従来品と比較して光取り出し効率にほとんど影響を及ぼすことなく、ＬＥＤ電球をコンパクト化することが市場から要請されてきている。本発明は、かかる課題を解決することを目的としたものである。

本発明に係るＬＥＤ電球は、
基板と、
前記基板の主面上に載置された、ＬＥＤ素子と、
前記ＬＥＤ素子の、前記基板とは反対側を覆うように配置され、前記ＬＥＤ素子に最も近い側に位置する第一面の径よりも、前記ＬＥＤ素子から最も離れた側に位置する第二面の径が大きい形状を有する、レンズ部材と、
前記レンズ部材の、前記第一面と前記第二面とを連絡する側面上に設けられた、反射部材と、を有し、
前記ＬＥＤ素子と前記レンズ部材の前記第二面との離間距離は、前記ＬＥＤ素子から射出された光の一部が前記レンズ部材の前記第二面に臨界角以上の角度で入射される範囲内に設定されていることを特徴とする。

上記構成のＬＥＤ電球による効果につき、従来構成のＬＥＤ電球と対比して説明する。図９は、上記特許文献１に記載されたＬＥＤ電球の構造を模式的に示す正面図である。図１０は、図９に示すＬＥＤ電球を、Ａ１−Ａ１線で切断したときの断面図に対応する。図１１は、図１０の一部拡大図であり、一部の光線図を二点鎖線にて併記している。

ＬＥＤ電球１００は、口金１０１、電源ケース１０３、放熱フィン１０５、及びレンズ部材１０７を備えている。電源ケース１０３には、図示しない電源部が収容されている。

放熱フィン１０５の内側には、基板１１１と、基板１１１の主面に載置されたＬＥＤ素子１１３が配置されている。レンズ部材１０７は、ＬＥＤ素子１１３の上面を覆うように配置され、ＬＥＤ素子１１３から射出された光線の進行方向を制御する役割を有している。レンズ部材１０７の、ＬＥＤ素子１１３から最も離れた側の面１０８が光射出面を構成する。

レンズ部材１０７の側面１０９は、リフレクタの機能を有している。すなわち、ＬＥＤ素子１１３から射出された光のうち、ＬＥＤ素子１１３の中心を通る軸に対して発散角の大きい光線Ｌ３は、側面１０９で全反射された後、光射出面１０８へと導かれる。また、ＬＥＤ素子１１３から射出された光のうち、ＬＥＤ素子１１３の中心を通る軸に対する発散角が小さい光線Ｌ１，Ｌ２は、直接、光射出面１０８へと導かれる。このようにして、ＬＥＤ素子１１３から射出された光線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、光射出面１０８からＬＥＤ電球１００の外部へと放射される。

図９〜図１１に示すＬＥＤ電球１００を小型化する方法として、レンズ部材１０７の、光軸方向（図１１における光線Ｌ１の方向）の長さを短くすることが考えられる。しかし、このような方法を採用した場合、光取り出し効率が低下するという課題が生じる。

図１２は、レンズ部材１０７に対し、前述した光軸方向の長さを短くしたＬＥＤ電球１００ａを想定し、このＬＥＤ電球１００ａにおける光線図を、図１１にならって図示したものである。このとき、レンズ部材１０７の光射出面１０８とＬＥＤ素子１１３とが接近する。この結果、ＬＥＤ素子１１３から射出された光のうち、ＬＥＤ素子１１３の中心を通る軸に対して発散角の大きい光線Ｌ４は、レンズ部材１０７の光射出面１０８に対して臨界角以上の入射角で入射されてしまう。レンズ部材１０７の屈折率は、空気の屈折率よりも高いため、光線Ｌ４は、レンズ部材１０７の面１０８で全反射される光が多くなる。この結果、光線Ｌ４は、光射出面１０８から外部に向けて放射されないことになり、図１１のＬＥＤ電球１００と比べて光取り出し効率が低下する。

本発明に係る構成によれば、レンズ部材の側面に反射部材が設けられている。このため、ＬＥＤ素子とレンズ部材の第二面（光射出面に相当する。）とを接近させた場合であっても、この第二面で全反射された光は、前記反射部材によって再度反射されてレンズ部材の第二面に導かれる。これにより、光取り出し効率を低下させることなく、レンズ部材のコンパクト化が実現でき、この結果、小型のＬＥＤ電球が実現できる。

ところで、上述したように、ＬＥＤ素子から射出された光のうち、発散角の大きい光は、レンズ部材の側面に入射される。このとき、図１３に示すように、レンズ部材の側面１０９で反射された後、発散角の大きい光線Ｌ５として光射出面１０８から取り出される。この場合、ＬＥＤ電球１００ａは、配光分布が比較的広い光を放射することになり、例えば照射角度が１０°程度の狭角のＬＥＤ電球を実現することは困難である。すなわち、配光の制御が難しいという課題がある。

この点に鑑み、前記レンズ部材は、前記第一面側であって、前記ＬＥＤ素子の中心を通り前記基板の面に直交する軸から径方向に所定距離以上離れた領域の少なくとも一部に、同心形状の凹凸部を有するものとしても構わない。

上記の構成によれば、ＬＥＤ素子から射出された発散角の大きな光は、同心円状の凹凸部に入射された後、レンズ部材の第二面に向けて反射される。このため、前記凹凸部が存在しない場合と比べて、レンズ部材の第二面に対する光線の入射角度が制限されるため、第二面から照射される光束の発散角を狭い範囲に制限することができる。

この凹凸部は、いわゆるフレネルレンズの機能を実現するものとすることができる。

特に、前記凹凸部は、前記ＬＥＤ素子から射出されて当該凹凸部で反射された光が、前記レンズ部材の前記第二面に臨界角未満の角度で入射されるように構成されているものとするのが好適である。

前記ＬＥＤ素子は、ＣＯＢ（Chip On Board）型の素子であるものとしても構わない。かかる構成とすることで、ＬＥＤ電球の光軸方向の長さを更にコンパクト化することができる。

本発明のＬＥＤ電球によれば、光取り出し効率にほとんど影響を及ぼすことなく、電球サイズの小型化が実現される。

本発明のＬＥＤ電球の構造を模式的に示す斜視図である。 図１のＬＥＤ電球の模式的な上面図である。 図１のＬＥＤ電球の模式的な底面図である。 図１のＬＥＤ電球の模式的な正面図である。 図１のＬＥＤ電球の模式的な断面図である。 図５の一部拡大図である。 図６に示されるＬＥＤ電球の模式的な上面図である。 図６に光線図を追記した図面である。 従来のＬＥＤ電球の構造を模式的に示す正面図である。 従来のＬＥＤ電球の構造を模式的に示す断面図である。 図１０の一部拡大図である。 レンズ部材の長さを短くした場合の光線図を、図１１にならって図示したものである。 レンズ部材の長さを短くした場合の別の光線図を、図１１にならって図示したものである。

本発明のＬＥＤ電球の構成につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。

図１〜図７は、本発明のＬＥＤ電球の一例を模式的に示す図面である。図１は斜視図に対応し、図２は上面図に対応し、図３は底面図に対応し、図４は正面図に対応する。図５は、図４内におけるＡ２−Ａ２線でＬＥＤ電球を切断したときの断面図に対応する。図６は、図５の一部分を拡大した図面である。図７は、図６に示される状態のＬＥＤ電球の上面図に対応する。

ＬＥＤ電球１は、レンズ部材３と、放熱フィン５と、電源部７とを備える。図６に示すように、放熱フィン５の内側には、基板１１が配置されており、この基板１１の上面にＬＥＤ素子１０が載置されている。

レンズ部材３は、ＬＥＤ素子１０を覆うように配置されている。より詳細には、レンズ部材３は、ＬＥＤ素子１０の、基板１１とは反対側、すなわち図６における紙面上側を覆うように、配置されている。レンズ部材３は、例えばポリカーボネートやアクリルなどの樹脂、又はガラス材料などで構成される。

レンズ部材３は、ＬＥＤ素子１０に近い側に位置する面３ａ（以下、「第一面３ａ」という。）の径よりも、ＬＥＤ素子１０から最も遠い側に位置する面３ｂ（以下、「第二面３ｂ」という。）の径が大きい形状を有している。本実施形態では、レンズ部材３の第一面３ａと第二面３ｂとを連絡する面、すなわち、側面３ｃが傾斜面を構成している。

本実施形態において、レンズ部材３は、第一面３ａ側に同心円状の凹凸部１５を有している。本実施形態では、図７に示すように、凹凸部１５の一部が、ＬＥＤ素子１０を取り囲むように構成されている。すなわち、凹凸部１５の一部が、ＬＥＤ素子１０の中心を通り、基板１１の面に直交する軸から径方向に所定距離以上離れた領域に、同心円状に構成されている。すなわち、ＬＥＤ素子１０よりも外側の位置において、レンズ部材３の一部分に凹凸部１５が形成されていればよい。凹凸部１５は、例えば図６に図示されるように、レンズ部材３の第一面３ａ側において、第二面３ｂに向かって突出する領域と、基板１１側に凹んでいる領域とを有し、これらの領域が同心円状に配置されることで構成されている。この凹凸部１５は、入射された光を所定の向きに反射するように構成されており、フレネルレンズの機能を実現している。

なお、凹凸部１５が有する凹凸の組み合わせの数は、１組でも構わないし、２組以上でも構わない。また、凹凸部１５の全てがＬＥＤ素子１０を取り囲むように構成されていても構わない。

本実施形態において、レンズ部材３の側面３ｃには、反射部材１３が形成されている。反射部材１５は、ＬＥＤ素子１０から射出された光（可視光）に対する反射率の高い（例えば８０％以上）材料からなり、例えばアルミニウムを含む金属材料が蒸着されることで構成される。その他、多層膜材料で構成されても構わない。

本実施形態において、ＬＥＤ素子１０は、ＣＯＢ（Chip On Board）型の素子で構成されている。ＬＥＤ電球１は、基板１１の面に直交する方向に係る長さが、図９に示した従来のＬＥＤ電球１００の前記方向に係る長さよりも短く、小型に構成されている。より詳細には、レンズ部材３の、光軸方向に関する向かい合う２面（３ａ，３ｂ）の離間距離が、図１１に示すＬＥＤ電球１００におけるレンズ部材１０７の当該距離よりも短くなっている。

上記の構成を採用したことで、光取り出し効率が向上する点につき、図８を参照して説明する。図８は、図７に一部の光線図を二点鎖線にて追加した図面である。

ＬＥＤ素子１０から射出された光のうち、ＬＥＤ素子１０の中心を通る軸に対する発散角の小さい光線Ｌ１１は、直接、レンズ部材３の第二面３ｂへと導かれ、レンズ部材３の外側へと放射される。また、図１３を参照して説明したように、レンズ部材３の向かい合う２面を接近させたことで、ＬＥＤ素子１０から射出された光線のうち、レンズ部材３の第二面３ｂに対する入射角が臨界角以上となるものが存在する（光線Ｌ１２）。

この光線Ｌ１２は、第二面３ｂで全反射された後、レンズ部材３の側面３ｃに向かって進行する。上述したように、レンズ部材３の側面３ｃには反射部材１３が設けられているため、この反射部材１３で再度反射された後、再びレンズ部材３の第二面３ｂへと向かう。側面３ｃを斜面として構成しているため、当該側面３ｃで反射された光が第二面３ｂに入射されるときの入射角は、臨界角反射された際に第二面３ｂに入射されたときの入射角よりも小さくなる。この結果、レンズ部材３の側面３ｃで反射された後に第二面３ｂに入射された光は、第二面３ｂにおける入射角が臨界角未満となり、レンズ部材３の外側へと放射される。

つまり、図１２を参照して上述したように、従来のＬＥＤ電球１００において、レンズ部材１０７の光軸方向に係る長さを短くした場合、光取り出し面１０８で全反射された光線Ｌ４は、光取り出し面１０８から放射させることができず、光の利用効率が低下する。このため、従来の構成では、ＬＥＤ電球１００の小型化には限界があった。

しかし、上述したように、ＬＥＤ電球１によれば、光取り出し面を構成するレンズ部材３の第二面３ｂで全反射した光線Ｌ１２についても、光取り出し面を構成する第二面３ｂへと再び導くことができるため、利用効率をほとんど低下させることがない。

更に、本実施形態においては、レンズ部材３の第一面３ａ側に、フレネルレンズの機能を奏する凹凸部１５が設けられている。ＬＥＤ素子１０から射出された光線のうち、極めて発散角の大きい光線（Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１５）については、レンズ部材３の凹凸部１５を構成する面で反射され、第二面３ｂへと導かれる。この凹凸部１５を構成する面は、ＬＥＤ素子１０の面に対して角度を有する斜面で構成されており、当該面で反射した光は、第二面３に対して臨界角未満の角度で入射される。この結果、ＬＥＤ素子１０から射出された発散角の大きい角度の光線（Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ１５）についても、レンズ部材３の第二面３ｂから、発散角の小さい光線に変換して放射させることができる。すなわち、図１３を参照して説明したＬＥＤ電球１００ａの光線Ｌ５と比較して発散角の小さい光線が実現されるため、配光分布の狭いＬＥＤ電球が実現される。すなわち、ＬＥＤ電球１によれば、光取り出し効率が高く、小型で狭角の配光分布を示すＬＥＤ電球が実現される。

以下、別実施形態について説明する。

〈１〉上記の実施形態では、レンズ部材３の第一面３ａ側に凹凸部１５を備える構成としたが、光取り出し効率をほとんど低下させることなく、小型のＬＥＤ電球を実現するという点においては、凹凸部１５を有しない構成としても構わない。ただし、凹凸部１５を備えることで、小型で、光取り出し効率が高く、照射角度が狭角のＬＥＤ電球を実現することができる。

〈２〉上記の実施形態では、ＬＥＤ素子１０がＣＯＢ型の素子であるものとして説明したが、本発明は、ＳＭＤ型（Surface Mount Device）のＬＥＤ素子を有するＬＥＤ電球に適応することも可能である。

〈３〉図１〜図８に図示されたＬＥＤ電球１を例示して説明したが、この図面上に図示された構造はあくまで一例であり、本発明をこの図示された構造に限定する趣旨ではない。

１ ： ＬＥＤ電球
３ ： レンズ部材
３ａ ： レンズ部材の第一面
３ｂ ： レンズ部材の第二面
３ｃ ： レンズ部材の側面
５ ： 放熱フィン
７ ： 電源部
１０ ： ＬＥＤ素子
１１ ： 基板
１３ ： 反射部材
１５ ： 凹凸部
１００ ： 従来のＬＥＤ電球
１００ａ ： 従来のＬＥＤ電球の長さを短くしたもの
１０１ ： 口金
１０３ ： 電源ケース
１０５ ： 放熱フィン
１０７ ： レンズ部材
１０８ ： レンズ部材の光射出面
１０９ ： レンズ部材の側面
１１１ ： 基板
１１３ ： ＬＥＤ素子
Ｌ１〜Ｌ５，Ｌ１１〜Ｌ１５ ： 光線

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板の主面上に載置された、ＬＥＤ素子と、
   前記ＬＥＤ素子の、前記基板とは反対側を覆うように配置され、前記ＬＥＤ素子に最も近い側に位置する第一面の径よりも、前記ＬＥＤ素子から最も離れた側に位置する第二面の径が大きい形状を有する、レンズ部材と、
   前記レンズ部材の、前記第一面と前記第二面とを連絡する側面上に設けられた、反射部材と、を有し、
   前記ＬＥＤ素子と前記レンズ部材の前記第二面との離間距離は、前記ＬＥＤ素子から射出された光の一部が前記レンズ部材の前記第二面に臨界角以上の角度で入射される範囲内に設定されていることを特徴とするＬＥＤ電球。
2. 前記レンズ部材は、前記第一面側であって、前記ＬＥＤ素子の中心を通り前記基板の面に直交する軸から径方向に所定距離以上離れた領域の少なくとも一部に、同心円状の凹凸部を有することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ電球。
3. 前記凹凸部は、前記ＬＥＤ素子から射出されて当該凹凸部で反射された光が、前記レンズ部材の前記第二面に臨界角未満の角度で入射されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ電球。
4. 前記ＬＥＤ素子は、ＣＯＢ型の素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＬＥＤ電球。
   

Images