JP2023180176A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯＢ型ＬＥＤを使用し、均質な光色を放つ照明装置を提供する。【解決手段】ＣＯＢ型ＬＥＤと、前記ＬＥＤの放つ光が入射する集光レンズと、前記ＬＥＤと前記集光レンズとの間に配置される透光性素材によって形成された皿ワッシャ状の光学部品から構成され、前記ＬＥＤの外縁部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴の傾斜面で外周方向へ反射され、前記ＬＥＤの中心部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴を通過し前記集光レンズへ入射され、前記集光レンズに入射した光は集光され放射されることで、均質な光色のみを放つように構成する。【選択図】図１

Description

本発明は、チップオンボード型発光ダイオードを光源とする昭明器具に関する。

基板上に多数のＬＥＤチップを実装し、一体型の蛍光体で一括に封止したものをＣＯＢ型（ＣｈｉｐＯｎＢｏａｒｄ）のＬＥＤといい、多数のチップと放熱設計のしやすさによる大光量を得ることができるＬＥＤパッケージとして用いられている。

大光量を求められるＬＥＤ照明器具においては、ＳＭＤ型（ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）が広く使用されているが、多数のＬＥＤチップを狭い間隔で配置することができ、一体となっている蛍光体全体から光を放つＣＯＢ型ＬＥＤは大光量の単色発光のＬＥＤ器具を製造する際に有利である。

また、任意の蛍光体形状・大きさで設計することができるため、従来ハロゲンランプを置き換えるような用途などで、円形の蛍光体内に多数のＬＥＤチップを配置したＣＯＢ型ＬＥＤの照明器具が開発されている。

特開２０１８ー００６２４７号公報

しかしながら、ＬＥＤチップ自体は方形であるため、円形のＣＯＢ型ＬＥＤを製造する場合には蛍光体内部のＬＥＤチップは擬似的な円形配置となり、ＣＯＢ型ＬＥＤの一部、必然的に外縁部はＬＥＤチップの配置が疎となる箇所が存在がすることが多くなる。

ＬＥＤチップの大きさに対してＣＯＢ型ＬＥＤの大きさが十分に大きい場合にはＬＥＤチップの配置は相対的に蛍光体の形状である円に近づけることができるが、ＣＯＢ型ＬＥＤが小さい場合にはＬＥＤチップの形状が目立つ多角形形状となり、円形蛍光体の外縁部で疎となる割合が大きくなる。このため、特に小型のＣＯＢ型ＬＥＤの外縁部において、蛍光体とＬＥＤチップの配置密度が異なることで蛍光体の励起差が生じ、発光色に変化が生じていることがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＣＯＢ型ＬＥＤを使用し、均質な光色を放つ照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置は、ＣＯＢ型ＬＥＤと、前記ＬＥＤの放つ光が入射する集光レンズと、前記ＬＥＤと前記集光レンズとの間に配置される透光性素材によって形成された皿ワッシャ状の光学部品から構成され、前記ＬＥＤの外縁部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴の傾斜面で外周方向へ反射され、前記ＬＥＤの中心部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴を通過し前記集光レンズへ入射され、前記集光レンズに入射した光は集光され放射される。

本発明によれば、ＣＯＢ型ＬＥＤを使用して均質な光色を放つ照明装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、示される数値、形状、材料なども、一例であって本発明を限定するものではない。

図１は実施の形態に係るスポットライトの構成を示す図である。 図２は実施の形態に係るスポットライトの光学構成を示す図である。 図３ー１は実施の形態に係るＬＥＤを示す概略図である。 図３ー２は実施の形態に係るＬＥＤを示す概略図である。 図４は実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分を示す断面図である。 図４ー１は実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分の光線追跡シミュレート結果を示した図である。 図４ー２は実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分の光線追跡を説明する断面図である 図５－１は、一般的な大きさのＣＯＢ型ＬＥＤの蛍光体の塗布状態を示す図である。 図５－２は、小型のＣＯＢ型ＬＥＤの蛍光体の塗布状態を示す図である。 図６は、リフレクタを用いた実施の形態に係る光線追跡を説明する断面図である。

以下の実施の形態では、スポットライトを例として発明を詳細に説明する。

図１は、本発明によるスポットライトの構成の一部を示す図である。筒体１０１はスポットライト１００の光源部である。本実施例中では省略するが、外部からの給電部と、給電部から供給された電力を変換し、光源部に必要な電力を供給する電源部、筒体の向きを変更して固定する可動部、を有する。筒体１０１は、ＣＯＢ型ＬＥＤ基板１１０と、前記基板１１０に実装されたＣＯＢ型のＬＥＤ１１１と、前記ＬＥＤの放つ光が入射する集光レンズ１２０と、ＬＥＤ１１１と集光レンズ１２０との間に配置される透光性素材によって形成された皿ワッシャ状の光学部品１３０から構成される。

図２は、本発明によるスポットライトの光学構成を示す図である。ＬＥＤ１１１の外縁部から放たれる光は光学部品１３０の貫通穴の傾斜面１３３で外周方向へ反射され側面から放出される。ＬＥＤ１１１の中心部から放たれる光は前記光学部品の底部の貫通穴開口部１３２から上部の貫通穴開口部１３１を通過し、集光レンズ１２０の入射部１２１へ入射され、集光され出射部１２２から放射される。

本実施例におけるスポットライトの筒体１０１の大きさは、直径２８ｍｍである。ハロゲンランプによる集光ビーム型のスポットライトで主に利用されていたＥ１１口金タイプの器具は筒径５０～７０ｍｍであることが多く、ＬＥＤ化した場合でも多くの器具は配光や放熱の問題から同程度の大きさとなっており、それらと比べて大幅に小型である。

この大きさの筒内に収められる集光レンズとして、本実施例ではＴＩＲレンズを用いた。本実施例の集光レンズ１２０は、外形２２ｍｍ、光の入射部分の有効直径は１０ｍｍのＴＩＲレンズである。これによって、集光レンズ１２０に入射させる光を発するＬＥＤの大きさが定まることになる。入射部分の有効直径１０ｍｍに入射されるよう、本実施例では、発光部分の大きさが直径６ｍｍのＣＯＢ型ＬＥＤを用いた。この直径６ｍｍの円の内部で同等の効率と明るさをＳＭＤ型ＬＥＤで実現することは設計・製造上困難である。

図３ー１は、本実施例におけるＣＯＢ型ＬＥＤ１１１の概略平面図である。本実施例の照明器具のＣＯＢ型ＬＥＤ１１１の蛍光体内部には、１２個のＬＥＤチップが実装されている。ＬＥＤチップは、円形に近づけるように配置されているが、外縁部にＬＥＤチップが疎である箇所が存在する。

図３ー２は、本実施例のＣＯＢ型ＬＥＤ１１１において、ＬＥＤチップ直上にある領域Ａ１と、発光面の外周内の領域Ａ２と区分けした平面図である。領域Ａ１は、ＬＥＤチップ直上となり高い光度の光が通る領域である。ＬＥＤチップが放つ光量の大部分であるため、蛍光体はこの部分に合わせて励起されるよう塗布されている。そのため、この領域から放たれる光は、ＣＯＢ型ＬＥＤの設計通りの光色が放たれる。

対して領域Ａ２は、ＬＥＤチップが蛍光体の直下にない部分であり、主にＬＥＤチップの最大光度の１／２以下の光や、内部での反射光が放たれている。よって、領域Ａ１に合わせて塗布された蛍光体とは異なる励起状態となり、意図しない光色の光が放たれる。

すなわち、配置されたＬＥＤチップの内接円内の領域Ａ１からは、設計通りの光色が放たれ、内接円外かつ、発光面の外周内の領域Ａ２からは、意図しない光色が放たれる。

図４は、本実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分を示す断面図である。ＬＥＤ１１１と、ＴＩＲレンズである集光レンズ１２０と、その間に配置される透光性素材によって形成された皿ワッシャ状の光学部品１３０から構成されている。

図４ー１は実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分の光線追跡をシミュレートした結果を示した断面図である。図４に示すＬＥＤ１１１の外縁部から放たれる光は光学部品１３０の貫通穴の傾斜面１３３で外周方向へ反射され側面から放出される。ＬＥＤ１１１の中心部から放たれる光は前記光学部品１３０の貫通穴底部１３２から上部の開口部１３１を通過し、集光レンズ１２０の入射部１２１へ入射され、集光されて出射部１２２から放射される。

図４ー２は実施の形態に係るスポットライトのレンズ部分の光の経路を説明する断面図である。ここでは３つの経路を例として説明する。経路Ｒ１は、ＣＯＢ型ＬＥＤ１１１中心付近から、正面方向へ出射される光で、光学部品１３０の貫通穴をそのまま通過し、そのままレンズの入射部１２１に入射し、出射する経路である。図３ー２で示した領域Ａ1から正面方向へ放たれる高い光度の光であり、ＣＯＢ型ＬＥＤの設計通りの光色の光である。

経路Ｒ２は、ＣＯＢ型ＬＥＤ１１１から、傾いた方向へ出射される光で、光学部品１３０の貫通穴を通過し、レンズの入射部１２１に入射し、出射する経路である。図３ー２で示した領域Ａ1から角度を持って放たれる光である。このとき、領域Ａ1から放たれる光のうち、設計通りの光色の光のみが、レンズの入射部１２１に入射する角度は、正面方向と比べて十分な光度を保った角度である必要がある。すなわち、配光角として公開されている仕様である最大光度の５０％以上の光度であるビーム角の範囲付近となるように設計すればよい。本実施例では、設計を簡単にするため、ＣＯＢ型ＬＥＤ１１１の中心を基準にＬＥＤチップのビーム角１３０°となるように設計した。ビーム角の範囲の光が集光レンズ１２０に入射する条件は、ＬＥＤ１１１と集光レンズ１２０の離間距離、すなわち光学部品１３０の厚さによって定まる。本実施例では、レンズの入射部分の直径が１０ｍｍであるから、厚さは（（入射部分の直径）／２）／ｔａｎ（ビーム角／２）＝２．３３ｍｍとして設計した。

経路Ｒ３は、ＣＯＢ型ＬＥＤ１１１の外縁部から出射される光で、光学部品１３０に入射し、貫通穴の傾斜面１３３で外周方向へ全反射され側面から放出される光である。図３ー２で示した領域Ａ２から放たれる光であり、ＣＯＢ型ＬＥＤの設計で意図しない光色の光である。傾斜面１３３で反射する条件は、ＣＯＢ型ＬＥＤから正面方向へ入射した光が全反射する角度以上であればよい。

図５－１は、一般的な大きさのＣＯＢ型ＬＥＤの蛍光体の塗布状態を示す図である。図５－２は、小型のＣＯＢ型ＬＥＤの蛍光体の塗布状態を示す図である。ＣＯＢ型ＬＥＤは、基板上に形成した土手部の内部に蛍光体を塗布されている。図５－１に示すように、一般的な大きさのＣＯＢ型ＬＥＤでは全体的に蛍光体の塗布量がなだらかに均一であり、ＬＥＤチップが存在する領域となる土手部近辺５０１は十分に広く、蛍光体の量や厚さに変化は少ない。対して図５－２で示すように、小型のＣＯＢ型ＬＥＤでは、ＬＥＤチップが存在しない領域となる土手部近辺５０２が狭く、蛍光体をＬＥＤチップの存在する・しない領域とで塗布量を均一にすることが困難であり、蛍光体の量が過剰になることが多い。すなわち、ＣＯＢ型ＬＥＤが小型であるほどに、課題である蛍光体の励起差が大きく、発光色に変化が生じることになるため、本発明は有効である。

以上によって、本実施例のスポットライトは、ＣＯＢ型ＬＥＤの設計通りの光色の光をレンズを通して集光して放ち、意図しない光色を多く含む光は放出せずに構成することができる。

上述したように本発明の照明装置は、レンズおよびＬＥＤにあわせて光学部品を設計するだけで目的の効果を得ることができる。そのため、レンズを専用設計することなく既存のレンズや、ＬＥＤを用いて光学部品のみを設計すればよい。そのため設計が容易である。また、ＬＥＤの放射光のうちほとんどを占めるビーム角内の光は光学部品の貫通穴を通過するので減衰もなく、効率を大きく減衰させることもない。

効率は落ちるが目的の効果を維持したまま、光学部品の厚さを変更することでレンズに入射する角度を制御できるため、同一の構造で異なる配光のレンズを使用したり、離間距離のみを調節して配光を変化させることも可能である。

あるいは、光学部品の表面が散乱処理がなされていてもよい。光学部品へ入射する光が散乱することで、レンズへ入射する意図しない光色を多く含む光を減少させることができる。

集光レンズのかわりに集光リフレクタを使ってもよい。図６に示すように、リフレクタの場合でも全体的な光のふるまいは同様である。経路ｒ１とｒ３は、図４ー２で説明した光の経路と同一のふるまいである。経路ｒ２も、リフレクタ内に入射された後、集光リフレクタの特性から、中心の入射部からの光は直進方向へ反射される。

また、上記実施例では、照明装置としてスポットライトを例示したが、均質な光を求められる照明装置であればダウンライト、デスクライト、リーディングライトなどに本発明を用いてもよい。

また、上記実施の形態において、発光素子をＣＯＢ型ＬＥＤを用いたが、蛍光体を用いて類似の構成を取る素子であれば、同様に構成してもよい。

その他、上記実施例に対して、当業者が想到する変形を施して得られる形態、又は、本発明の考えを逸脱しない範囲で上記の各実施例および変形例において、構成要素を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

Claims (6)

1. 円形ＣＯＢ型ＬＥＤと、前記ＬＥＤの放つ光が入射する集光部品と、前記ＬＥＤと前記集光レンズとの間に配置される透光性素材によって形成された皿ワッシャ状の光学部品から構成され、前記ＬＥＤの外縁部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴の傾斜面で外周方向へ反射され、前記ＬＥＤの中心部から放たれる光は前記光学部品の貫通穴を通過し前記集光部品へ入射され、前記集光部品に入射した光は集光され放射されることを特徴とする照明装置。
2. 前記集光部品は、レンズである請求項１記載の照明装置。
3. 前記集光レンズは、ＴＩＲレンズである請求項２記載の照明装置。
4. 前記集光部品は、リフレクタである請求項１記載の照明装置。
5. 前記光学部品の貫通穴の底部の直径が前記円形ＣＯＢ型ＬＥＤに実装されたＬＥＤチップの配置により形成される内接円の直径となり、前記光学部品の貫通穴の上部の直径が前記円形ＣＯＢ型ＬＥＤの発光面の外周であることを特徴とする請求項１～４記載の照明装置。
6. 前記光学部品は、表面に散乱処理が施されたことを特徴とする請求項１～５の照明装置。