JP2019133005A - レンズアレイおよび照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】多数個配置されたＬＥＤに対して、大型化することなく、高い光学系効率の配光制御を行うことができるレンズアレイおよび効率の良い照明器具を得る。【解決手段】発明に係るレンズアレイは、複数のＬＥＤ素子から発せられる光の配光を制御するレンズアレイであって、レンズアレイは、ＬＥＤ素子に一対一に対応して、ＬＥＤ素子が発する光の配光を制御する複数のレンズを有し、レンズは、光を全反射する全反射面が設けられた側面部反射面を有する側面部と、照射側に設けられ、レンズ内部を通過した光を、光の光軸方向に屈折させる凹部側壁を有する凹部とを備えるものである。【選択図】図４

Description

この発明は、レンズアレイおよび照明器具に関するものである。特に、レンズによる配光制御を行う照明器具に係るものである。

一般的に、工場、倉庫、体育館などの施設は、天井が高い。このような高い天井に取り付けられるまたは天井から吊り下げられる照明器具がある（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１４−０２６８０３号公報

高い天井の施設に取り付けられる照明器具は、高い位置からでも明るく照らせるように大光量が必要となる一方で、低消費電力化および小型軽量化に対する要求が高い。ここで、効率のよい照射を行うことができるように、天井高さに合わせて、レンズなどを用いて、ビームを絞る配光制御などが行われる。
一般に、ＬＥＤでは、低電流・低温で使う方が発光効率が高いが、高い天井に取り付けられる器具のように大光量が必要な場合には、構造の単純化や小型化の要求から、大出力のＬＥＤを少数配置することが多い（たとえば、特許文献１参照）。
一方、ＬＥＤを低電流で使用すると発光効率は高くなるが、大光量を得るには多数個配置することが必要になり、それぞれのＬＥＤに組み合わされるレンズなどの光学系も含めると、構造が複雑で大型化してしまうという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するため、多数個配置されたＬＥＤに対して、大型化することなく、高い光学系効率の配光制御を行うことができるレンズアレイおよび効率の良い照明器具を得ることを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係るレンズアレイは、複数のＬＥＤ素子から発せられる光の配光を制御するレンズアレイであって、レンズアレイは、ＬＥＤ素子に一対一に対応して、ＬＥＤ素子が発する光の配光を制御する複数のレンズを有し、レンズは、光を全反射する全反射面が設けられた側面部反射面を有する側面部と、照射側に設けられ、レンズ内部を通過した光を、光の光軸方向に屈折させる凹部側壁を有する凹部とを備えるものである。

この発明のレンズアレイによれば、各レンズにおいて、側面部と、凹部とを備えることで、レンズ径を大きくすることなく、効率良く配光を絞ることができる。このため、ＬＥＤ素子およびレンズを密に多数個実装することができ、照明器具の効率をよくすることができる。

この発明の実施の形態１に係る照明器具１００を示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るレンズアレイ２０の外観を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレンズアレイ２０が有するレンズ２１の単体における外観を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレンズ２１を上下方向に切断した断面を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るレンズ２１を通過する光の光路について説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る照明器具１００の配光曲線を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る色ムラなどの比較を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る照明器具１００におけるＬＥＤモジュール１０のＬＥＤパッケージ１１およびレンズアレイ２０のレンズ２１の配置について説明する図である。 この発明の実施の形態３に係るＬＥＤモジュール１０とレンズアレイ２０との関係を示す図である。

以下、発明の実施の形態に係る照明器具について、図面などを参照しながら説明する。以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。また、以下の説明において、基本的には、天井側を「上側」とし、床側を「下側」として説明する。そして、図面において、各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る照明器具１００を示す分解斜視図である。実施の形態１の照明器具１００は、ＬＥＤモジュール１０、レンズアレイ２０、ヒートシンク３０および保護カバー４０を備えている。上側から照射（出射）方向となる下側への上下方向（縦方向）に対し、ヒートシンク３０、ＬＥＤモジュール１０、レンズアレイ２０、保護カバー４０の順に配設される。

ＬＥＤモジュール１０は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子を有する複数のＬＥＤパッケージ１１が略長方形の基板１２に配置されている。実施の形態１のＬＥＤパッケージ１１は、ＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）タイプ（表面実装型）であるものとする。また、実施の形態１のＬＥＤパッケージ１１が有するＬＥＤ素子は、白色光を発する白色ＬＥＤ素子であるものとする。ＬＥＤパッケージ１１が配置された方の面が発光面となる。発光面は下側を向くこととなる。

レンズアレイ２０は、ＬＥＤモジュール１０のＬＥＤパッケージ１１から発せられた光を配光制御する複数のレンズ２１を有している。レンズアレイ２０は、ＬＥＤモジュール１０を発光面側から覆っている。レンズアレイ２０については、後に詳述する。ヒートシンク３０は、ＬＥＤモジュール１０から吸熱して放熱させる。ヒートシンク３０は、ＬＥＤモジュール１０の発光面とは反対側の面でＬＥＤモジュール１０と接触している。また、ヒートシンク３０は、レンズアレイ２０とは、レンズアレイ２０の枠部分で取り付けられ、接触している。保護カバー４０は、レンズアレイ２０、ＬＥＤモジュール１０などを保護する。保護カバー４０は、ＬＥＤモジュール１０が発した光を透過させて床面に向けて照射する透明のカバーである。保護カバー４０は、レンズアレイ２０を覆って、ヒートシンク３０に取り付けられる。

ＬＥＤの一般的な特性として、ＬＥＤパッケージに流れる電流またはＬＥＤ素子の温度が低くなると、ＬＥＤパッケージ自体の発光効率（ｌｍ／Ｗ）が高くなる。所要の光量を得るのに、多くのＬＥＤパッケージを実装した方が、一粒のＬＥＤパッケージあたりに流れる電流を減らすことができ、かつ、熱の集中を抑えることができる。したがって、大型のＬＥＤパッケージに大電流を流して発光させるよりも、小粒なＬＥＤパッケージを数多く基板上に実装した方が、同等の発光量（光束）を得ながら、発光効率（ｌｍ／Ｗ）を高くすることができる。

また、レンズを用いて、ＬＥＤパッケージの配光を制御する場合、一粒のＬＥＤパッケージに、１つのレンズを対応させるとよい。各ＬＥＤパッケージから発せられる全方位の光を、対応するレンズにより配光制御することで、光学系効率（光取り出し効率）をよくすることができる。

以上より、実施の形態１の照明器具１００においては、レンズ２１を用いて、効率よく配光制御を行うために、１つのレンズ２１と一粒のＬＥＤパッケージ１１とを、一対一で対応させる。
また、後述するレンズ２１における側面部２４と凹部２５により、配光を絞りながらもレンズ２１の径をできるだけ小さくすることで、ＬＥＤモジュール１０を大型化することなく、多くのＬＥＤパッケージ１１を並べられるようにする。

図２は、この発明の実施の形態１に係るレンズアレイ２０の外観を示す図である。図２（ａ）は、保護カバー４０との対向面における外観を示す図である。また、図２（ｂ）は、ＬＥＤモジュール１０との対向面における外観を示す図である。レンズアレイ２０は、前述したように、複数のレンズ２１を有している。実施の形態１のレンズアレイ２０は、複数のレンズ２１を一体成形した一体成形品である。そして、前述したように、一粒のＬＥＤパッケージ１１に、レンズアレイ２０の１つのレンズ２１が一対一で対応している。

図３は、この発明の実施の形態１に係るレンズアレイ２０が有するレンズ２１の単体における外観を示す図である。図３（ａ）は、ＬＥＤモジュール１０と対向する入光（入射）側から、レンズ２１を見た図である。また、図３（ｂ）は、保護カバー４０と対向する照射（出射）側から、レンズ２１を見た図である。さらに、図３（ｃ）は、入光側を中心にレンズ２１を見た斜視図である。そして、図３（ｄ）は、照射側を中心にレンズ２１を見た斜視図である。

また、図４は、この発明の実施の形態１に係るレンズ２１を上下方向に切断した断面を示す図である。さらに、図５は、この発明の実施の形態１に係るレンズ２１を通過する光の光路について説明する図である。そして、図６は、この発明の実施の形態１に係る照明器具１００の配光曲線を示す図である。

レンズアレイ２０の各レンズ２１は、主として、ＬＥＤパッケージ１１が発する光を透過させる透明な部材を有している。図５に示すように、ＬＥＤパッケージ１１から出射し、レンズ２１に入光する光の中で、光軸から離れた方向に向かう光（図５（ａ）の光２０２および光２０１ａ）は、ドーム状の側面部２４に入射する。側面部２４は、ドーム頂部が開口しており、内部には空間が形成されている。特に限定するものではないが、実施の形態１の照明器具１００では、ＬＥＤパッケージ１１の凸状部分を、開口した頂部よりも下側の空間内に位置させる。ＬＥＤパッケージ１１の発光部分となる凸状部分を側面部２４で囲むことで、側面部２４は、半球方向に広がる光を効率よく取り込むことができる。側面部２４の大きさなどについては、特に限定するものではないが、たとえば、後述するように、全反射面において反射させる光の角度などによって設定する。

ここで、実施の形態１の照明器具１００では、図４に示すように、側面部２４の側面部入光面２４Ａの壁面断面形状を、Ｓ字カーブ形状とする。側面部入光面２４Ａの断面形状をＳ字カーブ形状にして、マイクロレンズ部２７がある中央入光面を設定された範囲にしつつ、頂部の開口を広げることにより、側面部２４とＬＥＤパッケージ１１との距離を長くとることができる。このため、レンズ２１が、ＬＥＤパッケージ１１に接触しないように、余裕を持たせることができる。前述したように、ＬＥＤパッケージ１１の発光部分が、側面部２４の入光側の空間に入り込む位置に配置する場合には、特に有効である。

図５により、側面部反射面２４Ｂおよびこれと関係して機能する凹部２５の役割について説明する。側面部２４において、側面部反射面２４Ｂの内側は、側面部入光面２４Ａを介して、レンズ２１内を通過する光軸から離れた方向の光を全反射する全反射面となっている。

側面部反射面２４Ｂの出射側の径を大きくとれば、光２０１ｃを光軸方向に反射して配光を絞りやすいが、レンズ２１が大型化してしまう（図５（ｃ））。また、側面部反射面２４Ｂの出射側の径を小さくとれば、光２０１ｂが光軸から離れた方向に反射して配光が絞れない（図５（ｂ））。

そこで、側面部反射面２４Ｂの出射側の径を小さくしながらも、凹部２５を設ける。これにより側面部反射面２４Ｂで反射した光は、凹部側壁２５Ａで光軸方向寄りに屈折して出射する（図５（ａ）の光２０１ａ）ため、配光を絞ると同時に、レンズ径を小さくすることができる。

以上のように、ＬＥＤパッケージ１１から発せられる光のうち、出射方向の中心となる光軸を０°としたときに、光軸から離れた方向に出射される光は、全反射面である側面部反射面２４Ｂと凹部２５によって、光軸方向側に向かって光路を制御される。そして、図６に示すように、約４５°以上の光が抑えられ、光軸方向に光が集中する配光が得られる。

実施の形態１のレンズ２１は、さらに、凹部２５の底部となるレンズ中央部に、凸部２６を設けている。図５（ａ）に示すように、凸部２６は、レンズ中央部を通過した光を屈折させ、光がレンズ２１に再入射することを減らし、光軸方向に出射させる（図５（ａ）の光２０３）。このため、光学系効率がよくなり、またよりビームを絞ることができる。照射側のレンズ中央部にある凸部２６の径は、後述するマイクロレンズ部２７が設置される入光側のレンズ中央部における径よりも大きくする。また、前述した全反射面となる側面部反射面２４Ｂの内側における径は、凸部２６の径よりもよりも大きい径で構成する。以上のような径の関係で、側面部２４および凸部２６の大きさを規定すると、光学系効率を高くすることができる。

また、実施の形態１の照明器具１００のレンズ２１においては、入光側のレンズ中央部に、複数の丸型凸状のマイクロレンズ２７Ａを有するマイクロレンズ部２７を有している。マイクロレンズ２７Ａは、入光側に形成されている（図３（ａ）、図４）。

また、実施の形態１において、前述した側面部反射面２４Ｂおよび凸部２６の側壁は、複数の面に分割されて構成されているものとする（図３）。側面部反射面２４Ｂの内側の全反射面については、縦方向（上下方向）および周方向にそれぞれ複数分割される。複数の面に分割することで、以下に示すような、照明器具１００の照射光の質を高めることができる。

たとえば、一般的な白色光を発するＬＥＤパッケージは、ＬＥＤ素子が発光した青色の光と、青色の光を励起光として蛍光体が発する黄色主体の光との混光により得られた白色の光を発する。青色光が蛍光体層を通過する距離の違いにより、方向によって、青色または黄色に偏った色の光となる傾向がある。レンズなどでこの白色ＬＥＤの光の制御を行う場合には、方向による光源の色の偏りが照射面にも影響を及ぼすことがある。従来は、レンズの出射面を粗面にして、光を拡散することで、色が偏らないようにしていた。これは、簡便な方法ではあるが、光を拡散させるため、配光形状がくずれたり、まぶしさを生じるという欠点があった。

実施の形態１の照明器具１００においては、側面部反射面２４Ｂおよび凸部２６の側壁を複数の面で構成する。また、入光側のレンズ中央部には、複数のマイクロレンズ２７Ａを有するマイクロレンズ部２７を構成する。このような構成を有することで、配光形状と効率への影響を抑えながら、適度に光を混合して色ムラを抑制する。ここで、いずれか一方の構成としてもよい。

図７は、この発明の実施の形態１に係る色ムラなどの比較を示す図である。図７（ａ）は、実施の形態１のレンズ２１を通過させて出射された光を表している。また、図７（ｂ）は、実施の形態１のレンズ２１におけるマイクロレンズ部２７、側面部反射面２４Ｂおよび凸部２６の側壁の複数面構成を施さない場合に出射された光を表している。図７に示すように、ＬＥＤパッケージ１１から発せられた光を、レンズ２１を通過させて照射することで、色ムラを抑制することができる。また照射されてしまうＬＥＤチップイメージの投影像が緩和され、自然な円形の光が照射されることがわかる。

ここで、実施の形態１の照明器具１００においては、ＬＥＤモジュール１０上において、複数のＬＥＤパッケージ１１が四方配列されているものとする。このため、レンズアレイ２０中のレンズ２１も四方配列される。このとき、図３などに示すように、レンズ２１の側面部反射面２４Ｂにおける全反射面の縦方向の分割数を４の倍数とすることで、隣のレンズ２１との距離を最も近づけることができる。このため、より密にＬＥＤパッケージ１１のＬＥＤ素子を配列することができる。実施の形態１では、図３に示すように、１６分割している。

実施の形態１では、最適例として縦方向の分割数を４の倍数としているが、これに限るものではない。光学系効率が許容される範囲で、ＬＥＤパッケージ１１同士の距離および配列、レンズ２１同士の距離および配列などに応じて変更してもよい。

以上のように、実施の形態１の照明器具１００では、レンズアレイ２０の各レンズ２１において、全反射面が設けられた側面部反射面２４Ｂを有する側面部２４と、光を光軸寄りに屈折させる凹部２５を備える。このため、光の広がりを抑えながら、レンズ径を小さくすることができる。そして、ＬＥＤパッケージ１１およびレンズ２１を密に実装することができ、同面積により多数のＬＥＤを実装することで、照明器具１００の効率をよくすることができる。
また、レンズ２１において、レンズ中央部分に凸部２６を備えることで、レンズ中央部を通過した光を屈折させて、光がレンズ２１内に再入射することを減らすことができる。このため、光学系効率がよくなり、よりビームを絞ることができる。
そして、マイクロレンズ２７Ａを設け、側面部反射面２４Ｂおよび凸部２６の側壁を複数の面で構成することで、色ムラなどを抑えることができる。

また、実施の形態１の照明器具１００は、透明な保護カバー４０をヒートシンク３０に取り付け、ＬＥＤモジュール１０とレンズアレイ２０を覆うようにした。このため、照明器具１００にボールが当たるなど、外部からの衝撃によって、レンズアレイ２０（レンズ２１）がずれないようにする。したがって、ＬＥＤパッケージ１１（ＬＥＤモジュール１０）が破損してしまうことなどを防止することができる。そして、ＬＥＤパッケージ１１が点灯しないなどの不具合が生じないようにする。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係る照明器具１００におけるレンズアレイ２０のレンズ２１の配置について説明する図である。実施の形態１においては、ＬＥＤモジュール１０のＬＥＤパッケージ１１およびレンズアレイ２０のレンズ２１が四方配列されているものとして説明した。

実施の形態２の照明器具１００では、図８に示すように、レンズアレイ２０のレンズ２１が六方配列（ハニカム配列）されている。図８は、レンズアレイ２０の一部について示している。レンズ２１が同心円または同心円に近い多面体状の場合、レンズ２１を六方配列にすることで、レンズ２１を最も密に並べることができる。したがって、より密にＬＥＤ素子を配列することができる。図では示していないが、ＬＥＤモジュール１０のＬＥＤパッケージ１１についても、レンズ２１と同様の位置関係で六方配列している。

また、レンズ２１の側面部反射面２４Ｂにおける全反射面の縦方向（上下方向）の分割数を６の倍数とすることで、隣のレンズ２１との距離を最も近づけることができる。このため、より密にＬＥＤパッケージ１１のＬＥＤ素子を配列することができる。図８においては、１２分割している。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係るＬＥＤモジュール１０とレンズアレイ２０との関係を示す図である。図９（ａ）は、レンズアレイ２０の一部を拡大した図である。また、図９（ｂ）は、共締めについて説明する図である。前述の実施の形態１および実施の形態２では特に言及しなかったが、照明器具１００において、レンズアレイ２０は、ネジ穴２９を有している。そして、レンズアレイ２０とＬＥＤモジュール１０とは、ネジ穴２９を介し、ネジ５０によって、ヒートシンク３０に共締めされている。共締めの構造とすることで、ＬＥＤモジュール１０の各ＬＥＤパッケージ１１と、レンズアレイ２０の各レンズ２１との位置ずれを少なくすることができる。

また、図９（ａ）に示すように、レンズアレイ２０には、ボス２８が設けられている。ボス２８は、レンズアレイ２０の反りを抑える。たとえば、レンズアレイ２０がＬＥＤモジュール１０の基板１２側に反って、ボス２８が、基板１２に当たる。このとき、ボス２８がストッパとして機能し、レンズアレイ２０の反りを抑えることができる。このため、ＬＥＤパッケージ１１とレンズ２１との位置ずれを少なくし、ＬＥＤパッケージ１１とレンズ２１との接触をなくすことができる。

１０ ＬＥＤモジュール、１１ ＬＥＤパッケージ、１２ 基板、２０ レンズアレイ、２１ レンズ、２４ 側面部、２４Ａ 側面部入光面、２４Ｂ 側面部反射面、２５ 凹部、２５Ａ 凹部側壁、２６ 凸部、２７ マイクロレンズ部、２７Ａ マイクロレンズ、２８ ボス、２９ ネジ穴、３０ ヒートシンク、４０ 保護カバー、５０ ネジ、１００ 照明器具、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０２，２０３ 光。

Claims (16)

1. 複数のＬＥＤ素子から発せられる光の配光を制御するレンズアレイであって、
   該レンズアレイは、前記ＬＥＤ素子に一対一に対応して、前記ＬＥＤ素子が発する光の配光を制御する複数のレンズを有し、
   前記レンズは、前記光を全反射する全反射面が設けられた側面部反射面を有する側面部と、
   照射側に設けられ、レンズ内部を通過した光を、前記光の光軸方向に屈折させる凹部側壁を有する凹部と
   を備えるレンズアレイ。
2. 前記レンズ中央部となる前記凹部の底部に、前記レンズ中央部を通過した光を屈折させる凸部をさらに備える請求項１に記載のレンズアレイ。
3. 前記凸部の側壁は、複数の面に分割されて構成される請求項２に記載のレンズアレイ。
4. 前記側面部反射面は、複数の面に分割されて構成される請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のレンズアレイ。
5. 入光側の前記レンズ中央部に、丸型凸状のマイクロレンズを複数有するマイクロレンズ部をさらに備える請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のレンズアレイ。
6. 前記凸部の径は、入光側のレンズ中央部分よりも大きい径である請求項２〜請求項５のいずれか一項に記載のレンズアレイ。
7. 前記側面部の全反射面の径は、前記凸部の径よりも大きい径である請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載のレンズアレイ。
8. 前記側面部は、前記光の光軸の向きに切断したときの側面部入光面の壁面が、Ｓ字カーブ形状を有する請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のレンズアレイ。
9. ＬＥＤ素子を有する表面実装型のＬＥＤパッケージが、複数、基板上に実装されたＬＥＤモジュールと、
   前記ＬＥＤモジュールの前記ＬＥＤパッケージから発せられる光を配光制御する請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のレンズアレイと
   を備える照明器具。
10. 前記ＬＥＤモジュールが有する前記ＬＥＤパッケージおよび前記レンズアレイが有する前記レンズが、それぞれ四方配列されている請求項９に記載の照明器具。
11. 前記側面部の前記側面部反射面は、複数の面に分割されて構成されており、縦方向の分割数が４の倍数である請求項１０に記載の照明器具。
12. 前記ＬＥＤモジュールが有する前記ＬＥＤパッケージおよび前記レンズアレイが有する前記レンズが、それぞれ六方配列されている請求項９に記載の照明器具。
13. 前記側面部の前記側面部反射面は、複数の面に分割されて構成されており、縦方向の分割数が６の倍数である請求項１２に記載の照明器具。
14. 放熱を行うヒートシンクをさらに有し、
    前記レンズアレイと前記ＬＥＤモジュールとは、前記ヒートシンクに、ネジで共締めされている請求項９〜請求項１３のいずれか一項に記載の照明器具。
15. 前記レンズアレイは、ボスを有する請求項９〜請求項１４のいずれか一項に記載の照明器具。
16. 前記レンズアレイと前記ＬＥＤモジュールとを保護する保護カバーをさらに備える請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載の照明器具。

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