JP2019518310A - 全内部反射光ガイドの役割を果たす光学素子を備える電球 - Google Patents

Abstract

電球１が開示されている。前記電球１は、前記電球１を電球ソケットに機械的に及び電気的に接続するためのコネクタ２と、前記コネクタ２から電力を受け取るよう電気的に接続される光源４であって、前記電球１の中心軸Ａに沿って前記コネクタ２から離れている光源４と、前記中心軸Ａに沿って、前記コネクタ２と前記光源４との間に配設される内部構造物５とを有し、前記中心軸Ａに沿って前記コネクタ２から前記内部構造物５の方へ軸方向が規定される。前記電球１は、前記光源４及び前記内部構造物５を収容する内部空洞８を具備する光透過性光学素子７を更に有し、前記光学素子７は、それによって、前記電球１の外側輪郭を形成する。前記光学素子７は、前記内部構造物５が前記軸方向に対して或る角度で見られるときに、前記或る角度が所定のしきい値角度よりも小さいときに、前記光学素子７が、前記内部構造物５を目に見えないようにする全内部反射光ガイドの役割を果たすように、前記内部構造物５から光学的に分離される。

Description

本発明は、TIR（全内部反射）光ガイドの役割を果たす光学素子を備える電球に関する。

視覚的美観は、電球を含む幅広い製品の消費者の購入決定に影響を及ぼす。幾つかの電球構成要素は、見て美しいやり方で全体的な電球のデザインに組み込むことが困難である。ヒートシンクが、代表例であり、この問題に対処するために、ヒートシンクは、時として、それらを目立たなくするよう透明な材料で作成される。ガラスヒートシンクを有する照明デバイスの例が、US 2015/0292725A1において開示されている。しかしながら、最も一般的なヒートシンク材料は、透明ではなく、高価になりがちであり、又はガラスのような、相対的に劣っている熱伝導体であり、それ故、多くのアプリケーション、例えば、高ルーメン電球に適さないものである。

他のタイプの電球構成要素は、ビジュアルデザインと、技術的性能と、コスト要件との矛盾からもたらされる同様の困難を呈する。技術的性能と、コストと、美観との間の魅力的なトレードオフを示す電球の開発を目的とした更なる努力が必要である。

上述のことに鑑み、第１の態様によれば、電球であって、前記電球を電球ソケットに機械的に及び電気的に接続するためのコネクタと、前記コネクタから電力を受け取るよう電気的に接続される光源であって、前記電球の中心軸に沿って前記コネクタから離れている光源と、前記中心軸に沿って、前記コネクタと前記光源との間に配設される内部構造物とを有し、前記中心軸に沿って前記コネクタから前記内部構造物の方へ軸方向が規定される電球が提供される。前記電球は、前記光源及び前記内部構造物を収容する内部空洞を具備する光透過性光学素子を更に有し、前記光学素子は、それによって、前記電球の外側輪郭を形成する。前記光学素子は、前記内部構造物が前記軸方向に対して或る角度で見られるときに、前記或る角度が所定のしきい値角度よりも小さいときに、前記光学素子が、前記内部構造物を目に見えないようにするTIR光ガイドの役割を果たすように、前記内部構造物から光学的に分離される。

前記内部構造物に反射し、周囲の前記光学素子に入る光線は、その後、前記光学素子と、前記電球を取り囲む空気との間の境界面に当たるとき、当たる場所において前記境界面に対する前記光線の角度が、前記光線がTIRを受けないような角度である場合にしか、前記光学素子を離れない。前記光学素子内へ後方反射される光線は、前記光線が、前記空気／光学素子境界面に、前記光線が脱出することができるような角度で当たるまで、前記光学素子内を伝搬し続ける。前記光学素子は、電球の形状をしていることから、前記空気／光学素子境界面の法線は、場所によって異なり、本発明は、このことは、「隠蔽効果」を供給するようにTIRを制御するのに用いられ得るという認識に基づいている。より正確には、前記光学素子の前記外面の形状を適切に適合させることによって、前記内部構造物が幾つかの視点からは確実に目に見えないようにすることが可能である。前記光学素子が、前記内部構造物を少なくとも部分的には隠すことから、前記内部構造物の設計においては、美観は考慮に入れられる必要がない。これは、技術的性能と、コストと、美観との間の魅力的なトレードオフを示す電球の提供を容易にする。例えば、前記内部構造物に、技術的性能を最適化する若しくは製造し易い形状を与えることが、たとえその形状が視覚的に魅力的ではなくても、全く問題ではなくなり得る、且つ／又は技術的若しくは経済的な観点からは最良の選択肢である材料で前記内部構造物を作成することが、たとえその材料がビジュアルデザインの観点からは劣っている選択肢であっても、全く問題ではなくなり得る。

前記電球は、前記電球が、前記中心軸が垂線に平行であり、前記コネクタが底部にあるように配置され、主に下方から見られるアプリケーションにとりわけ適している。なぜなら、その場合、観察者は、通常、前記内部構造物を見れないからである。このようなアプリケーションの例は、前記電球が天井に取り付けられる照明器具に取り付けられるものである。

前記内部構造物は、前記コネクタの遠位に配設される端部を備える長い形をしていてもよく、前記光源は、遠位端部に取り付けられてもよい。このような形状を有する内部構造物は、光の空間分布を改善するように前記光源を配置することを容易にする。

前記内部構造物は、前記光源に給電するためのドライバが、前記内部構造物内に配設され得るように、中空であってもよい。前記ドライバをこのようにして配設することは、前記電球をコンパクトにすると共に、前記電球の審美的に魅力的な外観にも寄与する。

前記内部構造物は、前記光源によって発生される熱を放散するために前記光源に熱的に接続されるヒートシンクであってもよい。効率的な熱管理は、多くの電球、とりわけ、高ルーメン電球にとって重要であり、ヒートシンクは、前記電球の信頼性及び性能が高いレベルで維持されるように十分な冷却を確実なものにする。

前記ヒートシンクは、前記光学素子が熱を吸収及び放散するのに役立ち得るように、前記光学素子に熱的に接続されてもよい。これは、効率的な冷却を促進する。

前記内部構造物と、前記光学素子とは、空隙によって光学的に分離され得る。これは、製造の観点から、簡単で安価な解決策である。更に、前記内部構造物がヒートシンクである場合には、前記内部構造物と前記光学素子とを光学的に分離するこのやり方は特に有利である。なぜなら、その場合、熱は、前記ヒートシンクから薄い前記空隙を通って前記光学素子に効率的に拡散することができ、前記光学素子から周囲の空気に放散されるからである。

前記光学素子は、前記コネクタの近位に開口端部を有してもよく、前記コネクタの遠位に閉じた端部を有してもよく、前記光学素子は、前記閉じた端部及び前記開口端部に向かって徐々に細くなる。このような光学素子は、適切な光学的隠蔽効果を供給し得ると同時に、商業的に需要がある電球形状、例えば、キャンドル電球又はＰ電球の形状を有し得る。

前記光学素子は、前記内部構造物に面する面を有してもよい。その面の一部に面構造が設けられてもよい。その面の一部に面構造を設けることは、その一部に当たる光はTIRを受けないこと、又は少なくとも、その一部において生じるTIRが少なくなることを意味する。実用的意義は、前記構造は、前記光学素子の外面に投影され、拡大され、このことは、観察者に見えるだろう拡大画像を前記外面に投影するために用いられ得るというものである。

前記光学素子は、例えば、ガラス又はプラスチックで作成され得る。これらの材料は、安価であり、商業上容易に入手可能である。更に、製造の観点からは、これらの材料で作成される光学素子は、所望のしきい値角度を供給するように成形し易い。

前記光源は、固体光源であってもよい。このような光源は、エネルギ効率が良く、信頼性が高く、長い稼働寿命を有する。

前記コネクタは、ねじ込みソケット（Edison screw socket）に接続可能であってもよい。このようなコネクタは、前記電球を広範囲のアプリケーションに適したものにする。

本発明は、請求項において列挙されている特徴の全てのあり得る組み合わせに関することに注意されたい。

ここで、本発明のこの及び他の態様を、本発明の実施例を示している添付の図面を参照して、より詳細に記載する。
本発明の第１実施例による電球の分解図である。 図１の電球の側面図である。 理論計算に基づくグラフである。 理論計算に基づくグラフである。 本発明の第２実施例による電球の側面図である。 本発明の第３実施例による電球の側面図である。 電球の水平断面図を示す。 電球の水平断面図を示す。

これらの図において図示されているような層及び領域のサイズは、説明のために誇張されており、従って、本発明の実施例の一般的な構造を説明するために与えられている。同様の参照符号は、全体を通して同様の要素を指す。

以下、本発明の現在好ましい実施例が示されている添付図面を参照して、本発明をより十分に説明する。しかしながら、本発明は、多様な形態で実施されることができ、本明細書に記載されている実施例に限定されると解釈されるべきでない。もっと正確に言えば、これらの実施例は、完全及び完璧を期すために示されており、当業者に本発明の範囲を十分に伝える。

図１及び２は、中心軸Ａを有する電球１を示している。電球１によって発せられる光の分布は、中心軸Ａを中心としてほぼ回転対称である。電球１は、機械的に及び電気的に電球を電球ソケットに接続するためのコネクタ２を更に有する。コネクタ２は、電球１の端部を形成する。図示されている例においては、コネクタ２は、ねじ込みソケットであるが、他の例においては、コネクタ２は、バヨネットコネクタ又は何らかの他のタイプのコネクタであってもよい。電球１は、中心軸Ａが垂線に平行であり、コネクタ２が底部にあるように配置されている。

コネクタ２には、ドライバ３が電気的に接続される。ドライバ３は、ドライバ３に電気的に接続される光源４に給電するための電気回路を有する。図示されている例においては、光源４は、回路基板４ｂに取り付けられる幾つかのLED（発光ダイオード）４ａを含む固体光源である。回路基板４ｂは、プリント回路基板であるが、配線回路基板などの他のタイプの回路基板も考えられる。LED４ａは、例えば、半導体LED、有機LED又はポリマLEDであってもよい。LED４ａの全てが、同じ色の光、例えば、白色光を発するよう構成されてもよく、又は異なるLEDは、異なる色の光を発するよう構成されてもよい。他の例においては、光源４は１つのLED４ａしか持たないかもしれないことに留意されるべきである。

光源４は、熱を光源４から遠くへ伝達する又は拡散させるよう適合されるヒートシンク５と熱的接触をしている。ヒートシンク５は、電球１の内部構造を形成する。ヒートシンク５は、一般に、金属、例えば、アルミニウムで作成される。図示されている例においては、ヒートシンク５は、中空の管状である。ヒートシンク５は、中心軸Ａに沿って配設され、ヒートシンク５の２つの端部のうちの一方の端部は、コネクタ２の近位にあり、他方の端部は、コネクタ２の遠位にある。光源４は、遠位端部の平坦部に配設され、故に、ヒートシンク５は、コネクタ２と光源４との間に配設される。図示されている例においては、LED４ａは、中心軸Ａを中心とする円状に配設される。LED４ａの全体的な照明方向は、軸方向にある、即ち、中心軸Ａに沿って、ヒートシンク５から離れる方向である。軸方向は、同様な意味合いで、中心軸Ａに沿ってコネクタ２からヒートシンク５の方へ向けられている方向と説明され得る。

ドライバ３は、中空ヒートシンク５の内部空間内に配設される。ドライバ３とヒートシンク５との間には絶縁体６が配設され、絶縁体６は、ドライバ３をヒートシンク５から電気的に絶縁する。絶縁体６は、中空の管状であり、一般に、熱可塑性プラスチック（thermal plastics）などのプラスチックで作成される。

電球１は、電球１の外側輪郭を形成する光学素子７を更に有する。図示されている例においては、光学素子７の全体的な形状は、炎の先端部、電球１を例えばシャンデリアにおけるキャンドル電球として特に適したものとするものと同様である。具体的には、光学素子７は、コネクタ２の近位に開口端部を有し、コネクタ２の遠位に閉じた端部を有する。光学素子７は、その端部間で最も広く、前記端部に向かって徐々に狭くなる。光学素子７は、光透過性材料、例えば、ポリカーボネートなどのプラスチック材料、又はガラスで作成される。光学素子７は固体である。

ドライバ３、絶縁体６及びヒートシンク５は、光学素子７の内部空洞８内に収容される。ヒートシンク５は、内部空洞８の面に面する。空隙９は、ヒートシンク５を光学素子７から光学的に分離する。即ち、光は、直接、光学素子７からヒートシンク５に渡ることはできず、空隙９を介してしか、光学素子７からヒートシンク５に渡ることはできず、逆の場合も同じである。空隙９の厚さは、一般に、1mmより小さく、例えば0.1mmであるが、空隙９は、TIRが生じ得る限り、更に小さくてもよい。熱は、空隙９を通過することができ、故に、ヒートシンク５及び光学素子７は熱的接触をしている。従って、光源４によって発生される熱は、ヒートシンク５によって吸収され、次いで、光学素子７の方へ伝達又は拡散され、最終的に、周囲の空気へ放散され得る。熱が光学素子７から周囲の空気へ放散されるメカニズムは、対流及び熱放射である。

光学素子７は、TIRによってヒートシンク５を或る特定の角度からは見ることができないようにする光ガイドの役割を果たすよう適合されており、ここで、図２を参照して、光線追跡手法を用いて、この「隠蔽効果」について説明する。この説明のために、光学素子７の内面、即ち、ヒートシンク５に面する面は垂直に真っ直ぐであると仮定される。実際には、例えば、抜き勾配又は光学素子７は、特に強い隠蔽効果を供給するよう適合されるために、これは必ずしも真実ではない。また、光学素子７は屈折率が1.59であるポリカーボネートで作成されると仮定される。更に、説明を簡単にするために、図２において概略的に図示されている第１及び第２光線Ｌ_１、Ｌ_２は、外部から電球１に向かって来るものと考えられる。観察者が実際に見る光線は、当然ながら、電球１から離れる方向に進むものであり、従って、第１及び第２光線Ｌ_１、Ｌ_２は、単に、光学素子７が或る特定の角度では見えないようヒートシンク５隠すメカニズムを理解するための説明の助けの役割を果たすものである。

第１光線Ｌ_１は、点Ｐ_１において光学素子７の外面に当たる。点Ｐ_１における面接線は、Ｔ_１で示されており、接線角度、即ち、面接線Ｔ_１が垂線となす角度は、Φ_１で示されている。点Ｐ_１における面法線Ｎ_１は、面接線Ｔ_１に対して垂直である。第１光線Ｌ_１の入射角、即ち、第１光線Ｌ_１が面法線Ｎ_１となす角度はθ_１で示されている。第１光線Ｌ_１の入射角θ_１が42.5°であると仮定すると、第１光線Ｌ_１は、光学素子7に入る際に屈折され、光学素子７の内面に、その面の法線、即ち、水平方向に対して41°で当たるだろうことが計算され得る。これは、TIRのための臨界角（arcsin (1/1.59) = 38.97°）よりも大きく、故に、第１光線Ｌ_１はTIRを受ける。

第２光線Ｌ_２は、光学素子７の外面上の点Ｐ_１よりわずかに下に位置する点Ｐ_２において、光学素子７の外面に当たる。点Ｐ_２における面接線及び面法線は、各々、Ｔ_２及びＮ_２で示されている。光学素子７の外面は、点Ｐ_２における接線角度Φ_２が点Ｐ_１における接線角度Φ_１よりも小さくなるように湾曲している。第２光線Ｌ_２の入射角θ_２が50.3°であると仮定すると、第２光線Ｌ_２は、光学素子7に入る際に屈折され、光学素子７の内面に、その面の法線、即ち、水平方向に対して36.8°で当たるだろうことが計算され得る。この角度は、TIRのための臨界角（即ち、38.97°、上記参照）よりも小さいことから、第２光線Ｌ_２は、空隙に入り、ヒートシンク５に当たる。

この光線追跡演習が実際に示唆していることは、（ｉ）垂線に対して観察角度（viewing angle）αから点Ｐ_１を見る観察者は、ヒートシンク５を見ることができず、（ｉｉ）同じ観察角度αから点Ｐ_２を見る観察者は、ヒートシンク５を見ることができるということである。このことは、垂線に対してしきい値角度よりも小さい角度で下方からヒートシンク５を見る観察者にはヒートシンク５が見えないようなしきい値角度が存在することを示唆している。しきい値角度は、光学素子7が特定の形状を具備していることに起因するという意味において予め規定される。例えば、しきい値角度は、光学素子７に大きな水平幅／直径を与えることによって、大きくされ得る。

図３及び４は、「隠蔽効果」の更なる説明のためのグラフである。グラフは、ポリカーボネートのための計算に基づいている。図３は、臨界接線角度対観察角度を示している。臨界接戦角度は、或る特定の観察角度を前提として、光学素子上の、接線角度が臨界接線角度よりも大きい場所を見る観察者はヒートシンクを見ることができないような角度である。逆に、接線角度が臨界接線角度よりも小さい場合には、観察者はヒートシンクを見ることができる。図４は、臨界入射角対観察角度を示している。臨界入射角は、或る特定の観察角度を前提として、光学素子上の、入射角が臨界入射角よりも小さい場所を見る観察者はヒートシンクを見ることができないような角度である。逆に、入射角が臨界入射角よりも大きい場合には、観察者はヒートシンクを見ることができる。

図５は、電球１'であって、この電球１'の光学素子７'の形状が異なるという点を除いて、図１及び２のものと同様である電球１'を示している。具体的には、図５において図示されている電球１'は、Ｐ型電球（P-type light bulb）、より正確には、Ｐ４５電球である。また、このＰのような形状並びに図１及び２のキャンドルのような形状以外の多くの他の形状の光学素子ももちろん可能である。

図６は、電球１''であって、図６においては、光学素子７''の、ヒートシンク５に面する面が、面構造１０を具備する部分を持つという点を除いて、図１及び２のものと同様である電球１''を示している。面構造１０は、TIR境界面を壊し、例えば、表面粗さ、ステッカ、レーザーマーキング、又は塗料、とりわけ、白色塗料であり得る。面構造１０は、例えば、観察者には光学素子７''の外面上の投影像１１のように見える画像又はロゴを表し得る。

図７及び８を参照して、面構造１０の「画像化効果（imaging effect）」の背後にあるメカニズムを更に説明する。しかしながら、説明を簡単にするために、これは、例示によって、より正確には、光学素子の一部がヒートシンクと光学的接触をするときに何が起こるかを説明することによって、なされる。

図７及び８は、各々、電球、及び電球を側方から見る観察者が何を見るかを図示するよう意図されている４本の光線の水平断面図を示している。まず図７を参照すると、第１光線Ｌ_１'は２回の屈折後に電球を離れる。第２光線Ｌ_２'及び第３光線Ｌ_３'は、電球の内面においてTIRを受ける。第４光線Ｌ_４'は、外面において屈折した後に、ヒートシンクに当たり、観察者には破線から来るかのように見える。内面におけるTIRのために、観察者は、（外側バルブのレンズ効果の結果としての）拡大されたヒートシンクを見ない。しかしながら、ヒートシンクと光学面との間で光学的接触がなされる場合には（又は例えば、表面粗さ又は白色塗料のために、TIRが局所的に失敗させられる場合には）、ヒートシンク（又は表面粗さを有する部分）が拡大されたように見えるだろう。図８における破線は、この効果及び観察者が何を見るかを図示している。

当業者は、本発明が、決して、上記の実施例に限定されないことを理解する。逆に、添付の請求項の範囲内で多くの修正及び変更が可能である。例えば、光学素子は、当然ながら、LEDドライバ又はLED支持体などのヒートシンク以外の内部要素を隠すため用いられてもよい。したがって、本発明は、ヒートシンクを備える電球だけでなく、ヒートシンクを備えない電球にも関する。

更に、当業者は、請求項記載の発明の実施において、図面、明細及び添付の請求項の研究から、開示されている実施例に対する変形を、理解し、達成することができる。請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、特定の手段が、互いに異なる従属請求項において挙げられているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように用いられることができないことを示すものではない。

Claims (11)

1. 電球であり、
   前記電球を電球ソケットに機械的に及び電気的に接続するためのコネクタと、
   前記コネクタから電力を受け取るよう電気的に接続される光源であって、前記電球の中心軸に沿って前記コネクタから離れている光源と、
   前記中心軸に沿って、前記コネクタと前記光源との間に配設される内部構造物とを有し、前記中心軸に沿って前記コネクタから前記内部構造物の方へ軸方向が規定される電球であって、前記光源及び前記内部構造物を収容する内部空洞を具備し、それによって、前記電球の外側輪郭を形成する光透過性光学素子を更に有し、前記光学素子は、前記内部構造物が前記軸方向に対して或る角度で見られるときに、前記或る角度が所定のしきい値角度よりも小さいときに、前記光学素子が、前記内部構造物を目に見えないようにする全内部反射光ガイドの役割を果たすように、前記内部構造物から光学的に分離される電球。
2. 前記内部構造物が、前記コネクタの遠位に配設される端部を備える長い形をしており、前記光源が、遠位端部に取り付けられる請求項１に記載の電球。
3. 前記内部構造物が、中空であり、前記光源に給電するためのドライバが、前記内部構造物内に配設される請求項１又は２に記載の電球。
4. 前記内部構造物が、前記光源によって発生される熱を放散するために前記光源に熱的に接続されるヒートシンクである請求項１に記載の電球。
5. 前記ヒートシンクが、前記光学素子に熱的に接続される請求項４に記載の電球。
6. 前記内部構造物と、前記光学素子とが、空隙によって光学的に分離されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電球。
7. 前記光学素子が、前記コネクタの近位に開口端部を有し、前記コネクタの遠位に閉じた端部を有し、前記光学素子が、前記閉じた端部及び前記開口端部に向かって徐々に細くなる請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電球。
8. 前記光学素子が、前記内部構造物に面する面を有し、前記面の一部に面構造が設けられる請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電球。
9. 前記光学素子が、ガラス又はプラスチックで作成される請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電球。
10. 前記光源が、固体光源である請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電球。
11. 前記コネクタが、ねじ込みソケットに接続可能である請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電球。

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