JP2019012091A - 発光ダイオードランプ - Google Patents

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Abstract

【課題】強い入射角依存性を有するバンドパスフィルタを使用する場合であっても、不所望な波長の光を出してしまう可能性を極小化できる発光ダイオードランプを提供する。【解決手段】発光ダイオード20と、一部を欠いた回転放物面で規定された反射面34および光を外部へ放射する開口36を有するリフレクタ30と、発光ダイオード20の発光中心Cが回転放物面の焦点Fの位置と一致するように発光ダイオード20を保持するとともに、反射面34を規定する回転放物面の欠けた部分を含むようにしてリフレクタ30と組み合わされるヒートシンク50と、リフレクタ30の開口36を覆い、回転放物面の回転軸RCLと互いに直交する入光側平面52を有するバンドパスフィルタ60とで発光ダイオードランプ10を構成することにより、上記課題を解決できる。【選択図】図2

Description

本発明は、例えば可視光の放射を効率的に制限した発光ダイオードランプに関する。
従来の白熱灯(例えば、ハロゲンランプ)に比べて、消費電力が低く、かつ、長寿命といった長所を有する発光ダイオードは、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっており、特にセンサー等に使用される比較的小型の光源として発光ダイオードが使用されるようになっている。
例えば、特許文献1に記載された発光ダイオードランプでは、バンドパスフィルタを用いて発光ダイオードから放射される光に含まれる可視光を除去する技術が開示されている。
特開2013−186095号公報
ところで、赤外線センサー等に使用されているAlGaAs系の赤外線発光ダイオードは、発光量のピークに対応する波長が十分に赤外線領域にある場合であっても、発光波長分布が可視光側に長く延びる傾向にあることから、当該赤外線発光ダイオードからの光にも可視光が含まれている。
センサーとして使用する場合、発光ダイオードランプからの光には可視光が含まれずセンサー用の発光ダイオードランプが点灯しているのかどうかがわからない方が好まれる傾向にある。
不要な波長の光をカットしたい場合は一般にバンドパスフィルタが使用されており、センサー用の発光ダイオードランプの場合もバンドパスフィルタを使用することで大部分の可視光をカットすることができる。
しかしながら、バンドパスフィルタには、所定の角度よりも大きい入射角で入ってきた光に対してはフィルタ機能を発揮できない(以下、これをバンドパスフィルタの「入射角依存性」という。)傾向があることがわかった。さらに、この傾向は基板の表面に光学薄膜を成膜したバンドパスフィルタにおいて顕著であることもわかった。この光学薄膜のバンドパスフィルタは、例えば吸収によって透過する光を選択するバンドパスフィルタに比べて、カットする波長とカットしない波長との境界波長が明確であることから、光学薄膜のバンドパスフィルタを使用したいという要望が多い。
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、強い入射角依存性を有するバンドパスフィルタを使用する場合であっても、不所望な波長の光を出してしまう可能性を極小化できる発光ダイオードランプを提供することにある。
本発明の一局面によれば、
発光ダイオードと、
一部を欠いた回転放物面で規定された反射面、および、前記反射面で反射した前記発光ダイオードからの光を外部へ放射する開口を有するリフレクタと、
前記発光ダイオードの発光中心が前記回転放物面の焦点位置と一致するように前記発光ダイオードを保持するとともに、前記反射面を規定する前記回転放物面の欠けた部分を含むようにして前記リフレクタと組み合わされるヒートシンクと、
前記リフレクタの前記開口を覆い、前記回転放物面の回転軸と互いに直交する入光側平面を有するバンドパスフィルタとを備える発光ダイオードランプが提供される。
好適には、前記回転放物面の前記回転軸と互いに平行な角度で前記リフレクタの前記開口側から見たときに前記発光ダイオードを直視できないようにする遮光部材をさらに備えている。
好適には、前記遮光部材は、前記反射面で反射せずに前記開口から出る光を遮る形状となっている。
好適には、前記遮光部材は、前記ヒートシンクにおける前記発光ダイオードよりも前記開口側に位置する部分である。
好適には、前記遮光部材における前記発光ダイオードからの光に照らされる部分の表面には、光吸収層が設けられている。
好適には、前記発光ダイオードからの光のピーク波長は900nm以上1100nm以下である。
本発明によれば、リフレクタの反射面を構成する回転放物面の焦点位置に発光中心が一致するように発光ダイオードが保持されている。これにより、当該発光ダイオードからの光は反射面で反射することによって回転放物面の回転軸に平行な平行光となって開口から出る。一方、バンドパスフィルタはリフレクタの開口を覆うように配置されており、かつ、バンドパスフィルタの入光側平面は回転放物面の回転軸と互いに直交するようになっている。つまり、リフレクタの開口から出る平行光はバンドパスフィルタの入光側平面に対してほぼ垂直(入射角がほぼゼロ度)で入射するようになる。
したがって、バンドパスフィルタが大きな入射角依存性(例えば、入射角が5°以下の光しかフィルタとしての能力を発揮しない。)を有している場合であっても、発光ダイオードランプから不所望な波長の光を出してしまう可能性を極小化できる。
なお、本明細書の全体を通して、「回転放物面」とは厳密な数学的定義に基づく回転放物面に限定されるものではなく、発明の意義を没却しない範囲であれば、反射面で反射した光の平行度合いが多少低くなる面であっても「回転放物面」に含まれる。
また、同じく本明細書の全体を通して、「バンドパスフィルタの入光側平面が回転放物面の回転軸と互いに直交する」とは厳密な意味での「直交」に限定されるものではなく、発明の意義を没却しない範囲であれば、多少の傾きがあっても「直交」に含まれる。
本発明が適用された発光ダイオードランプ10の一例を示す平面図である。 本発明が適用された発光ダイオードランプ10の一例を示す断面図である。 本発明が適用された発光ダイオードランプ10の一例を示す断面図である。 変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す断面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す断面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す断面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す平面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す平面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す平面図である。 他の変形例に係る発光ダイオードランプ10を示す断面図である。 ヒートシンク50に対する発光ダイオード20の取り付け態様の例を示す断面図である。
(発光ダイオードランプ10の構成)
以下、本発明が適用された発光ダイオードランプ10について説明する。なお、各符号に関し、以下の説明では、同一構造のものが複数個使用されている場合、各構造を上位概念として説明する場合にはアルファベットの枝番を付けずアラビア数字のみで示し、各構造を互いに区別する必要がある場合(すなわち下位概念で示す場合)にはアルファベット小文字の枝番をアラビア数字に続けて付すことにより区別する。
この発光ダイオードランプ10は、図1および図2に示すように、大略、発光ダイオード20と、リフレクタ30と、ヒートシンク50と、バンドパスフィルタ60とを備えている。
発光ダイオード20は、外部から電力を受け取ることによって所定のピーク波長の光を放出する電子部品である。本実施例では、発光ダイオード20として、ピーク波長が900nm以上1100nm以下の赤外線光を発する1つの発光ダイオード素子22と、当該発光ダイオード素子22から放出された光を所定の開き角にまとめるレンズ24とで構成されたものを使用しているが、発光ダイオード素子22が発する光のピーク波長はこれに限定されるものではないし、また、複数の発光ダイオード素子を並べたものを発光ダイオード20に使用してもよい。
リフレクタ30は、ガラスやアルミニウム等の金属で形成されたリフレクタ本体32と、発光ダイオード20から放出された光を反射させる反射面34と、反射面34で反射した光を外部へ放射するための開口36とを有している。
反射面34は、一部を欠いた回転放物面(パラボラ)で構成されている。具体的に説明すると、本実施例に係るリフレクタ30の反射面34は、回転軸RCLを有する回転放物面を、当該回転軸RCLを含む平面PAに平行な切断面PBで切断することによって得られた大小2つの回転放物面の一部のうち、大きい方(つまり、回転軸RCLを含む方)で規定されている。換言すれば、反射面34は、小さい方の回転放物面の一部を欠いたようになっている。なお、回転軸RCLを含む平面PAと切断面PBとの間の距離Dは、発光ダイオード20の底面から発光中心までの距離と一致している。
ヒートシンク50は、本実施例の場合、略直方体状に形成されており、ひとつの側面の表面に発光ダイオード20が配設および保持されている(以下、この側面を「発光ダイオード配設側面52」という。)。この発光ダイオード配設側面52は、リフレクタ30の反射面34を規定する切断面PBと一致するように形成されている。また、ヒートシンク50は、発光中の発光ダイオード20からの熱を受け取り、この熱を拡散および放散する役割を有している。このため、ヒートシンク50は熱伝導性の高い材料で形成するのが好ましい。
また、ヒートシンク50をリフレクタ30と組み合わせたとき、ヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52上に配設された発光ダイオード20の発光中心Cがリフレクタ30の反射面34を規定する回転放物面の焦点Fの位置と一致するようになっている。
さらに、ヒートシンク50の全体形状は、当該ヒートシンク50をリフレクタ30と組み合わせたとき、リフレクタ30の反射面34を規定する回転放物面の欠けた部分(つまり、回転軸RCLを含まない小さい方の回転放物面の一部)をヒートシンク50が含むようになっている(図中の点線Rを参照)。
これにより、リフレクタ30の反射面34およびヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52で周囲が囲われたひとつの凹所38が形成され、この凹所38内に発光ダイオード20が位置することになる。この結果、発光ダイオード20からの光が不所望に周囲に漏れることなく、開口36およびバンドパスフィルタ60を通して外部に出ることになる。また、ヒートシンク50が発光ダイオードランプ10の外側に露出しているので、発光中の発光ダイオード20からの熱がヒートシンク50を介して外部へ放出されやすいという利点もある。
なお、図示していないが、ヒートシンク50は、発光ダイオード20に給電する給電回路も備えている。この給電回路は、ヒートシンク50の表面上に形成されていてもよいし、ヒートシンク50の内部に形成されていてもよい。もちろん、給電ケーブル等で発光ダイオード20に直接給電してもよい。
バンドパスフィルタ60は、所定範囲の波長の光のみを透過させ、その範囲外の波長の光は透過させない(遮断する)機能を有する薄板材である。本実施例の場合、可視領域の波長を有する光(可視光)を遮断する機能を有する多層膜で構成されたバンドパスフィルタ60が使用されている。もちろん、バンドパスフィルタ60が透過させる光の波長の範囲は発光ダイオードランプ10に求められる光の波長に応じて決定される。
先に述べたように、バンドパスフィルタ60には「入射角依存性」があり、このバンドパスフィルタ60に対して所定の角度よりも大きい入射角で入ってきた光は遮断することができない。例えば、本実施例に係るバンドパスフィルタ60の入射角依存性は約5°である。すなわち、バンドパスフィルタ60の入光側平面62に対して5°よりも大きな入射角で入った可視光はこのバンドパスフィルタ60で遮断されることなく発光ダイオードランプ10から出ることになる。
本実施例のバンドパスフィルタ60はリフレクタ30の開口36を覆い、このバンドパスフィルタ60の入光側平面62は、反射面34を規定する回転放物面の回転軸RCLと互いに直交するようになっている。
(発光ダイオードランプ10の組立)
発光ダイオードランプ10の組立の手順を簡単に説明する。先ず、所定の形状に成形したヒートシンク50における発光ダイオード配設側面52に発光ダイオード20を配設する。ヒートシンク50に対する発光ダイオード20の配設方法は特に限定されるものではないが、発光中に生じる発光ダイオード20の熱が効率よくヒートシンク50に伝導するような配設方法を選択するのが好適である。例えば、熱伝導率の高い接着剤で発光ダイオード20をヒートシンク50の表面に接着することが考えられる。また、ヒートシンク50に対する発光ダイオード20の配設とともに、発光ダイオード20への給電回路の実装を行う。
然る後、ヒートシンク50をリフレクタ30と組み合わせ、最後に、リフレクタ30(より正確には、ヒートシンク50をリフレクタ30と組み合わせることによってできた凹所38)の開口36を覆うようにバンドパスフィルタ60を配設して、発光ダイオードランプ10が完成する。
(発光ダイオードランプ10の特徴)
本実施例に係る発光ダイオードランプ10によれば、リフレクタ30の反射面34を構成する回転放物面の焦点Fの位置に発光ダイオード20の発光中心Cが一致するように発光ダイオード20が保持されている。これにより、図3に示すように、当該発光ダイオード20からの光は反射面34で反射することによって回転放物面の回転軸RCLに平行な平行光となって開口36から出る。一方、バンドパスフィルタ60はリフレクタ30の開口36を覆うように配置されており、かつ、バンドパスフィルタ60の入光側平面62は回転放物面の回転軸RCLと互いに直交するようになっている。つまり、リフレクタ30の開口36から出る平行光はバンドパスフィルタ60の入光側平面62に対してほぼ垂直(入射角がほぼゼロ度)で入射するようになる。したがって、バンドパスフィルタ60が強い入射角依存性を有している場合(つまり、許容されうる入射角の範囲が狭い場合)であっても、発光ダイオードランプ10から不所望な波長の光を出してしまう可能性を極小化できる。
(変形例1)
図4に示すように、上記実施例に係る発光ダイオードランプ10の構成に、遮光部材70,72,74のうち少なくともひとつを加えてもよい。この遮光部材70,72,74は、回転放物面の回転軸RCLと互いに平行な角度(つまり、発光ダイオードランプ10の正面)から発光ダイオードランプ10を見たときに発光ダイオード20を直視できないようにするための部材である。なお、遮光部材70,72,74は、発光ダイオード20からの光を遮光できるものであれば特にその材質が限定されるものではなく、例えば、金属、不透明樹脂、セラミック材等が考えられる。
遮光部材70,72,74の長さは、例えば、遮光部材70のように、ヒートシンク50における発光ダイオード配設側面52に対応する位置から少なくとも発光ダイオード20の発光中心Cまでを遮光するようになっている。これに代えて、遮光部材72のように、ヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52に対応する位置から発光ダイオード20を構成するレンズ24の先端までにしてもよい。さらに言えば、遮光部材74のように、発光ダイオード20の発光中心Cと反射面34の開口36側端とを結ぶ直線LLまで長くしてもよい。遮光部材74のように長くすることで、発光中心Cから出て反射面34で反射することなく直接開口36に向かう光(つまり、バンドパスフィルタ60に対して大きな入射角で入る光)を遮断することができる。
また、遮光部材70を配設する位置は、発光ダイオード20の上方(開口36に向かう方向)であればどの位置でもよい。図4には、ヒートシンク50における発光ダイオード配設側面52から突設された遮光部材72,74と、バンドパスフィルタ60の上方表面に沿って配設された遮光部材70とを示しているが、いずれかひとつを選択すればよい。また、遮光部材70,72,74に当たった光が反射して不所望な角度で開口36から出るのを避けるため、遮光部材70,72,74における発光ダイオード20に対向する面に光吸収材を設けてもよい。
(変形例2)
さらに、図4に示したようにヒートシンク50とは別個の遮光部材70,72,74を配設するのではなく、図5に示すように、発光ダイオード20の上方に位置する少なくとも一部のヒートシンク50を反射面34に向かって突出させることにより、ヒートシンク50における発光ダイオード配設側面52の上下方向断面において段76を設けてこれを遮光部材78とすることで、ヒートシンク50と遮光部材78とを一体に形成してもよい。これにより、図4に示したように、遮光部材70,72,74をヒートシンク50とは別体として形成するのと同様の効果を得ることができる。また、遮光部材78に当たった光が反射して不所望な角度で開口36から出るのを避けるため、段76における発光ダイオード20に対向する面に光吸収材を設けてもよい。
(変形例3)
また、ヒートシンク50と遮光部材78とを一体に形成する他の例として、図6に示すように、ヒートシンク50における発光ダイオード配設側面52の上下方向断面形状を傾斜させてもよい。具体的に説明すると、発光ダイオード20の発光中心Cの位置は反射面34を規定する回転放物面の焦点Fの位置と一致させつつ、発光ダイオード配設側面52の開口36側端(上方端)が少なくとも発光ダイオード20の発光中心Cに対応する位置となるように発光ダイオード配設側面52の上下方向断面形状を回転軸RCLに対して傾ける。これにより、発光ダイオード20よりも上方に位置する発光ダイオード配設側面52の全体を遮光部材78として機能させることができる。また、遮光部材78に相当する面に当たった光が反射して不所望な角度で開口36から出るのを避けるため、当該面に光吸収材を設けてもよい。
(変形例4)
上述した実施例では、リフレクタ30の反射面34は、回転軸RCLを含む平面PAに平行な切断面PBで当該回転軸RCLを有する回転放物面を切断することによって得られた大小2つの回転放物面の一部のうち、大きい方(つまり、回転軸RCLを含む方)で規定されているが、反射面34は一部を欠いた回転放物面で規定されていればこの態様に限定されるものではない。例えば、図7に示すように、回転放物面の回転軸RCLを中心として4分の1(中心角度90°に相当する部分)を欠いたような反射面34であってもよく、また、図8に示すように、回転放物面の回転軸RCLを中心として8分の1(中心角度45°にほぼ相当する部分)を欠いたような反射面34であってもよい。いずれの場合でも、ヒートシンク50をリフレクタ30と組み合わせたとき、当該ヒートシンク50がリフレクタ30の反射面34を規定する回転放物面の欠けた部分を含むようになっている(図7および図8の点線Rを参照)。
これにより、リフレクタ30の反射面34およびヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52で周囲が囲われたひとつの凹所38が形成され、この凹所38内に発光ダイオード20が位置することになる。この結果、発光ダイオード20からの光が不所望に周囲に漏れることなく、バンドパスフィルタ60を通して外部へ出すことができる。また、ヒートシンク50が発光ダイオードランプ10の外側に直接露出しているので、発光中の発光ダイオード20からの熱がヒートシンク50を介して外部へ放出されやすいという利点がある。
(変形例5)
また、図9に示すように、一対の発光ダイオード20a,20bと、各発光ダイオード20a,20bにそれぞれ対応する反射面34a,34bを組み合わせて発光ダイオードランプ10を構成してもよい。反射面34a,34bはそれぞれ別個の焦点Fa,Fbを有しており、一対の発光ダイオード20a,20bの各発光中心Ca,Cbはそれぞれ対応する反射面34a,34bの焦点Fa,Fbに一致している。
これにより、複数の発光ダイオード20a,20bを用いて発光ダイオードランプ10を構成する場合であっても、個々の発光中心を各反射面34a,34bの焦点Fa,Fbに合わせることができるので、焦点Fa,Fbからずれて各発光ダイオード20a,20bから放射され、反射面34a,34bで反射した後で平行光にならない光を低減することができる。この結果、複数の発光ダイオード20a,20bを用いる場合であっても、バンドパスフィルタ60の入射角依存性にかかわらず、発光ダイオードランプ10から不所望な波長の光を出してしまう可能性を極小化できる。
(変形例6)
また、ヒートシンク50がリフレクタ30の反射面34を規定する回転放物面の欠けた部分を含むようにすることは、図10に示すような場合も含まれる。図10に示す発光ダイオードランプ10では、リフレクタ30は完全な(一部が欠けていない)回転放物面で規定された凹所80を有している。そして、ヒートシンク50は発光ダイオード配設側面52の反対側に凹所80を規定するのと同じ回転放物面の一部で規定された曲面82を有しており、ヒートシンク50は、リフレクタ30の凹所80の表面に曲面82をぴったりと当接させるようにして当該凹所80内に配設されている。このとき、ヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52は上述した実施例で述べた切断面PBと一致しており、発光ダイオード20の発光中心Cは凹所80を規定する回転放物面の焦点Fの位置と一致するようになっている。また、反射面34は、ヒートシンク50の曲面82が凹所80の表面に当接しない範囲に形成されている。
図10に示すような発光ダイオードランプ10であっても、発光中の発光ダイオード20からの熱はヒートシンク50の曲面82から凹所80の表面を介してリフレクタ本体32に伝わり、リフレクタ本体32から外部へ放出されることになる。
(変形例7)
上述した実施例では、発光ダイオード20をヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52に直接取り付けるようにしていたが、発光ダイオード20は、その発光中心Cが反射面34を規定する回転放物面の焦点Fに一致されていればどのような態様でヒートシンク50に取り付けられていてもよい。例えば、図11に示すように発光ダイオード20を実装基板84に実装し、然る後、発光ダイオード20が実装された実装基板84をヒートシンク50の発光ダイオード配設側面52に接着等の手段で取り付けてもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10…発光ダイオードランプ
20…発光ダイオード、22…発光ダイオード素子、24…レンズ
30…リフレクタ、32…リフレクタ本体、34…反射面、36…開口、38…凹所
50…ヒートシンク、52…発光ダイオード配設側面
60…バンドパスフィルタ、62…入光側平面
70,72,74…遮光部材、76…段、78…遮光部材
80…凹所、82…曲面、84…実装基板
本発明の一局面によれば、
赤外線光を発する発光ダイオードと、
一部を欠いた回転放物面で規定された反射面、および、前記反射面で反射した前記発光ダイオードからの光を外部へ放射する開口を有するリフレクタと、
前記発光ダイオードの発光中心が前記回転放物面の焦点位置と一致するように前記発光ダイオードを保持するとともに、前記反射面を規定する前記回転放物面の欠けた部分を含むようにして前記リフレクタと組み合わされるヒートシンクと、
前記リフレクタの前記開口を覆うとともに、前記回転放物面の回転軸と互いに直交する入光側平面を有しており、前記発光ダイオードからの可視光を遮断する機能を有するバンドパスフィルタと
前記回転放物面の前記回転軸と互いに平行な角度で前記リフレクタの前記開口側から見たときに前記発光ダイオードを直視できないようにする遮光部材とを備える発光ダイオードランプが提供される。

Claims (6)

  1. 発光ダイオードと、
    一部を欠いた回転放物面で規定された反射面、および、前記反射面で反射した前記発光ダイオードからの光を外部へ放射する開口を有するリフレクタと、
    前記発光ダイオードの発光中心が前記回転放物面の焦点位置と一致するように前記発光ダイオードを保持するとともに、前記反射面を規定する前記回転放物面の欠けた部分を含むようにして前記リフレクタと組み合わされるヒートシンクと、
    前記リフレクタの前記開口を覆い、前記回転放物面の回転軸と互いに直交する入光側平面を有するバンドパスフィルタとを備える発光ダイオードランプ。
  2. 前記回転放物面の前記回転軸と互いに平行な角度で前記リフレクタの前記開口側から見たときに前記発光ダイオードを直視できないようにする遮光部材をさらに備えている請求項1に記載の発光ダイオードランプ。
  3. 前記遮光部材は、前記反射面で反射せずに前記開口から出る光を遮る形状となっていることを特徴とする請求項2に記載の発光ダイオードランプ。
  4. 前記遮光部材は、前記ヒートシンクにおける前記発光ダイオードよりも前記開口側に位置する部分であることを特徴とする請求項2または3に記載の発光ダイオードランプ。
  5. 前記遮光部材における前記発光ダイオードからの光に照らされる部分の表面には、光吸収層が設けられていることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の発光ダイオードランプ。
  6. 前記発光ダイオードからの光のピーク波長は900nm以上1100nm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の発光ダイオードランプ。
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