JP3600973B2 - 線状光源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子を直線状に配置した線状光源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5(a)は従来の線状光源の概略正面図、図5(b)はその線状光源のE−E矢視方向概略断面図、図5(c)はその線状光源のF−F矢視方向概略断面図、図6はその線状光源において発光素子の配列方向における照度分布を示す図である。尚、図5において、x軸は発光素子の配列方向、y軸は発光素子の発光面を含む平面においてx軸に直交する方向、z軸はx軸及びy軸に直交する方向である。
【0003】
図5に示す線状光源は、複数の発光素子52と、複数のリード54a,54bと、複数のワイヤ56と、光透過性材料58と、発光素子52の発光面に対向して形成された凹面状反射面62と、発光素子52の背面側に形成された放射面64とを有するものである。複数の発光素子52は発光面を同じ方向に向けて直線状に配列される。各発光素子52は一方のリード54a上にマウントされ、発光素子52と他方のリード54bとはワイヤ56により電気的に接続されている。また、発光素子52、リード54a,54bの先端部及びワイヤ56は光透過性材料58により封止されている。凹面状反射面62は、光透過性材料58の下面をメッキや金属蒸着等により鏡面加工したものである。ここでは、凹面状反射面62を柱面状に形成し、そのy−z平面での切断面を略楕円形状としている。そして、凹面状反射面62に近い方の焦点には発光素子52の発光面の中心を配置している。一方、光透過性材料58の上面は平面状に形成された放射面64である。
【0004】
発光素子52に電力が供給されると、発光素子52が発光し、発光素子52が発する光は凹面状反射面62によって反射され、放射面64から外部に放射される。特に、y−z平面による凹面状反射面62の切断面が略楕円形状に形成され、その凹面状反射面62の一の焦点に発光素子52の発光面の中心を配置しているので、放射面64を通過した光は所定領域へ集光される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の線状光源では、発光素子52の配列方向(x軸方向)における照度分布が図6に示すようになる。ここで、破線は各発光素子52が発する光の照度分布を示し、実線は線状光源全体についての照度分布を示す。図6からわかるように、各発光素子52が発する光の照度分布はあまり広い範囲に及ばない。このため、たとえば、一の発光素子が他のものに比べて特性が劣っていたり早く劣化したりすると、均斉度が著しく低下し、線状光源として使いものにならなくなる。このように、従来の線状光源では、十分な均斉度を得ることが困難であるという問題があった。
【0006】
本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、均斉度の向上を図ることができる線状光源を提供することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための請求項1記載の発明に係る線状光源は、直線状に配列された複数の発光素子と、前記複数の発光素子に電力を供給するリード部と、前記発光素子と発光素子との間に配置された中間反射面と、前記発光素子の発光面に対向して設けられた前記発光素子が発した光及び前記中間反射面で反射された光を反射する凹柱面状反射面とを具備し、前記凹柱面状反射面は、前記発光素子が配列された直線を含む面で二分割され、その一方の凹柱面状反射面の長手方向における断面は前記発光素子の位置を中心とする略円形状に形成され、且つ他方の凹柱面状反射面の長手方向における断面は入射した光を反射して外部に放射するように形成されていることを特徴とするものである。
【0008】
請求項2記載の発明に係る線状光源は、請求項1記載の発明において、前記他方の凹柱面状反射面は、反射した光を線状に集光するものであることを特徴とするものである。
請求項3記載の発明に係る線状光源は、請求項1又は2記載の発明において、前記リード部を前記一方の凹柱面状反射面の側から外部に引き出したことを特徴とするものである。
【0009】
請求項4記載の発明に係る線状光源は、請求項1乃至3記載の発明において、前記複数の発光素子及び前記中間反射面と前記凹柱面状反射面との空間を、光透過性材料で充填したことを特徴とするものである。
請求項5記載の発明に係る線状光源は、請求項1乃至4記載の発明において、前記リード部は回路パターンが形成された基板を含むものであり、前記複数の発光素子は前記基板の回路パターン上に取り付けられていることを特徴とするものである。
【0010】
請求項6記載の発明に係る線状光源は、請求項1乃至5記載の発明において、前記発光素子の配列方向における両側部に前記発光素子が発した光及び前記中間反射面で反射された光を反射する側部反射面を設けたことを特徴とするものである。
請求項7記載の発明に係る線状光源は、請求項1乃至6記載の発明において、前記複数の発光素子として、赤色系の光を発する発光素子と、緑色系の光を発する発光素子と、青色系の光を発する発光素子とを用いたことを特徴とするものである。
【0011】
【作用】
請求項1記載の発明は上記の構成によって、一方の凹柱面状反射面の長手方向における断面を発光素子の位置を中心とする略円形状に形成したことにより、発光素子が発した光のうち一方の凹柱面状反射面に入射する光は、一方の凹柱面状反射面で反射された後、発光素子が配列された直線上に入射する。このうち中間反射面に入射した光は、反射面で乱反射され、凹面状反射面に向かって進む。ここで、中間反射面は発光素子と発光素子との間に配置されているので、この中間反射面で反射された光はあたかも各発光素子から発された光であるかのように振る舞う。このため、中間反射面で反射された光のうち一方の凹柱面状反射面に入射する光は、再度、一方の柱面状反射面で反射された後、発光素子が配列された直線上に入射することになる。一方、中間反射面で反射した光のうち他方の凹柱面状反射面に入射する光は、他方の凹柱面状反射面で反射された後、外部に放射される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。図1(a)は本発明の第一実施形態である線状光源の概略正面図、図1(b)はその線状光源のA−A矢視方向概略断面図、図1(c)はその線状光源のB−B矢視方向概略断面図である。
【0013】
図1に示す線状光源は、複数の発光素子12と、リード部としての複数のリード14a,14bと、複数のワイヤ18と、光透過性材料22と、第一凹柱面状反射面24と、中間反射面26と、第二凹柱面状反射面28と、側部反射面32と、放射面34とを備えるものである。複数の発光素子12は、図1(c)において、発光面を下側に向けて一定間隔で直線状に配列される。ここでは、発光素子12として単色のものを用いている。尚、図1において、x軸は発光素子12の配列方向、y軸は発光素子12の発光面を含む平面においてx軸に直交する方向、z軸はx軸及びy軸に直交する方向である。
【0014】
リード14a,14bは、発光素子12に電力を供給するためのものであり、各発光素子12毎に設けられている。リード14a,14bの材料には銅合金や鉄合金等の金属を用い、リード14a,14bの表面には銀メッキ処理を施している。発光素子12は一方のリード14a上にマウントされ、発光素子12と他方のリード14bとはワイヤ18により電気的に接続されている。このとき、ワイヤ18はリード14bの先端部以外の部分に接続される。これらのリード14a,14bはともに第一凹柱面状反射面24の側から外部に引き出されている。また、発光素子12、リード14a,14bの一部及びワイヤ18は、光透過性材料22により一体的に封止されている。
【0015】
中間反射面26は、複数の発光素子12が配列された直線上付近であって各発光素子12の間に配置される。第一実施形態では、中間反射面26として、リード14bの先端部の表面を利用することにしている。このリード14bの先端部はT字状に形成され、また、中間反射面は、発光素子12の発光面と略同一平面上に位置するように配置される。一般に、中間反射面26は、高反射率を有する材料で形成されるが、この中間反射面26の性質としては、光を正反射するものであってもよいし、乱反射するものであってもよい。特に、望ましいのは、入射する光を、ある程度正反射すると共に、ある程度乱反射するものである。第一実施形態では、リード14bに銀メッキ処理を施して、中間反射面26に、かかる望ましい性質を付与している。尚、リード14bの先端部以外の部分にワイヤ18を接続するのは、中間反射面26で光を有効に反射することができるようにするためである。
【0016】
第一凹柱面状反射面24及び第二凹柱面状反射面28は、光透過性材料22の裏面上にメッキや金属蒸着等により鏡面加工したものであり、発光素子12の発光面側に形成されている。また、かかる第一凹柱面状反射面24及び第二凹柱面状反射面28の中心軸をそれぞれ、発光素子12の配列方向(x軸方向)に平行としている。図1(c)に示すように、第一凹柱面状反射面24はx軸を含みy軸に垂直な平面に対して右側に形成され、第二凹柱面状反射面28はその平面に対して左側に形成される。
【0017】
側部反射面32は、発光素子12の配列方向(x軸方向)における光透過性材料22の両端の側面に第一凹柱面状反射面24及び第二凹柱面状反射面28と同様の鏡面加工を施したものである。また、放射面34は、光透過性材料22の前面を平面状に加工したものであり、発光素子12の背面側に設けられている。
また、第一実施形態の第一凹柱面状反射面24の形状は、発光素子12が発した光を発光素子12が配列された直線上に反射するように設計している。すなわち、第一凹柱面状反射面24の中心軸を発光素子12が配列された直線と同一にし、第一凹柱面状反射面24のy−z平面での切断面を円形状としている。一方、第二凹柱面状反射面28の形状は、発光素子12が発した光及び中間反射面26で反射された光が第二凹柱面状反射面28で反射した後に、被照射面において所定の照射幅をもって集光するように設計している。この設計の際には、発光素子12の点光源からのズレ、第二凹柱面状反射面28で反射した光が放射面34で屈折して外部に放射されることを考慮する必要がある。たとえば、本発明者等は、第二凹柱面状反射面28のy−z平面での切断面を、10次関数
z=a0 +a1 ×y+a2 ×y2 +・・・・+a9 ×y9 +a10×y10
で求めている。ここで、各係数ak (k=0,1,2,・・・ ,9,10)は、発光素子から発された光が所定の照射領域に集光するような11個の反射位置をコンピュータ解析によって求め、この求めた反射位置を上記10次関数に代入することにより決定される。尚、一般には、6次以上の関数を用いて第二凹面状反射面の形状を設計することが望ましい。
【0018】
次に、このように構成された線状光源の発光素子から発せられた光の光路について説明する。図2(a)はその線状光源の一の発光素子から発せられた光のy−z平面における光路を示す図、図2(b)はその線状光源の一の発光素子から発せられた光のx軸を含む平面における光路を示す図である。ここでは、一の発光素子12aから発せられた光に着目する。
【0019】
まず、一の発光素子12aに電力が供給されると、発光素子12aの発光面が発光し、発光面の中心軸に対して角度が略90度以内であるすべての方向に向かって光が放射される。このとき、発光素子12aが発する光のうち第二凹柱面状反射面28に入射する光L2 は、図2(a)に示すように、第二凹柱面状反射面28で反射された後、放射面34で屈折し、被照射面Sにおいて所定の照射幅をもって集光する。
【0020】
一方、発光素子12aが発する光のうち第一凹柱面状反射面24に入射する光L1 は、第一凹柱面状反射面24で反射された後、発光素子が配列された直線上に入射する。このうち中間反射面26に入射した光L11は、図2(b)に示すように、中間反射面26で乱反射され、第一凹柱面状反射面24及び第二凹柱面状反射面28に向かって進む。ここで、中間反射面26は発光素子が配列された直線上であって各発光素子の間に配置されているので、この中間反射面26で反射された光はあたかも発光素子から発された光であるかのように振る舞う。すなわち、中間反射面26は擬似的な発光源となる。このため、中間反射面26で反射した光L11のうち第一凹柱面状反射面24に入射する光は、再度、第一凹柱面状反射面24で反射された後、発光素子が配列された直線上に入射することになる。一方、中間反射面26で反射した光L11のうち第二凹柱面状反射面28に入射する光は、第二凹柱面状反射面28で反射された後、放射面34より外部に放射される。このとき、中間反射面26は発光素子が配列された直線上に位置するので、この外部に放射された光は、発光素子が発する光のうち第二凹柱面状反射面28で反射されて外部に放射される光L2 と同様に、被照射面Sにおいて所定の照射幅をもって集光することになる。
【0021】
次に、第一実施形態の線状光源が発する光の照度特性について説明する。図3はその線状光源において発光素子の配列方向(x軸方向)における照度分布を示す図である。図3において、破線は各発光素子12が発する光の照度分布を示し、実線は線状光源全体についての照度分布を示す。上述のように、中間反射面26は擬似的な発光源となり、各中間反射面26には、多数の発光素子12から発せられた光が第一凹柱面状反射24を介して入射することになるので、各発光素子12が発する光の照度分布は、図6に示す従来の線状光源において各発光素子が発する光の照度分布に比べて、はるかに緩やかな山状となり、x軸方向の広い範囲に及ぶ。線状光源全体についての照度分布は、これらの各発光素子12が発する光の照度分布を加えることにより得られる。このため、第一実施形態の線状光源では、各x座標位置における照度には多数の発光素子12からの光が寄与する。
【0022】
第一実施形態の線状光源では、発光素子が発した光を発光素子が配列された直線上に反射する第一凹柱面状反射面と、発光素子が配列された直線付近に配置された中間反射面とを設けたことにより、中間反射面が擬似的な発光源となり、各発光素子が発する光のx軸方向における照度分布が広い範囲に及ぶので、均斉度の向上を図ることができる。したがって、たとえば、一の発光素子の特性が劣っていたり、早く劣化したりして、その出力が他の発光素子の出力に比べて非常に低下した場合でも、その一の発光素子の出力低下を他の発光素子によってカバーすることができる。また、発光素子の配列間隔を従来のものよりも広くしても、従来と同様の均斉度を得ることができる。
【0023】
また、発光素子から第一凹柱面状反射面の側に放射された光は、第一凹柱面状反射面で反射された後に発光素子が配列された直線上に入射し、このうち中間反射面で反射された後に第二凹柱面状反射面の側に進行する光は、第二凹柱面状反射面で反射されて外部に放射される。したがって、放射面のうち図1(c)の矢印Rの範囲からのみ外部に光が放射され、リードを引き出した側からは光が外部に放射されないので、リードによって照射光量密度にムラが生じるのを防止することができる。また、リードによって、発光素子が発した光を遮光し、外部放射効率が低下するのを防止することができる。しかも、中間反射面は発光素子が配列された直線上付近に配置されているので、中間反射面で反射された光のうち第二凹柱面状反射面に入射する光は、発光素子から第二凹柱面状反射面の側に放射された光と同様に、第二凹柱面状反射面で制御されて所定の照射領域に照射されるので、照射光量密度の向上を図ることができる。
【0024】
更に、発光素子の配列方向における両側部に側部反射面を設けたことにより、発光素子が発した光及び中間反射面で反射した光のうち側部反射面に入射する光は、側部反射面で反射されて内部に戻るので、かかる光も放射面から放射して、被照射面に到達することになる。このため、側部反射面で反射された光を有効に利用することができると共に、線状光源の端部における照度の低下を抑えることができる。
【0025】
尚、第一実施形態では、発光素子を光透過性材料で封止しているため、発光素子内から光透過性材料への光の取り出し効率は向上するが、一方で、発光素子が発する光の中には、放射面で全反射されて外部に放射されないものが存在する。しかしながら、放射面で全反射される角度をもった光でも、中間反射面に入射すると、中間反射面で乱反射される。このため、その一部は放射面から外部に取り出すことが可能となり、これにより光の取り出し効率の向上を図ることができる。
【0026】
次に、本発明の第二実施形態について図面を参照して説明する。図4(a)は本発明の第二実施形態である線状光源の概略正面図、図4(b)はその線状光源のC−C矢視方向概略断面図、図4(c)はその線状光源のD−D矢視方向概略断面図である。尚、第二実施形態において、第一実施形態のものと同一の機能を有するものには、同一の符号を付すことによりその詳細な説明を省略する。
【0027】
第二実施形態の線状光源は、複数の発光素子12と、リード部としての基板16と、複数のワイヤ(不図示)と、第一凹柱面状反射面24と、中間反射面26aと、第二凹柱面状反射面28と、側部反射面32と、放射面34aとを備えるものである。第二実施形態の線状光源が第一実施形態のものと異なる主な点は、リード部として基板16を用いた点である。基板16の裏面には回路パターン17が形成されている。発光素子12はこの回路パターン17上にマウントされ、図示しない他の回路パターンとはワイヤにより電気的に接続されている。ここで、基板16には、ガラスエポキシ基板やセラミック基板等が用いられる。また、中間反射面26aとしては、基板16上に印刷、メッキ、蒸着、貼り付け等により形成した高い反射率を有する材料を用いる。この中間反射面26aは、一般には、鏡面であっても白色であっても構わない。尚、中間反射面26aとして、他の反射部材を基板16上にマウントしたものや、基板16上に樹脂成形したものを用いてもよい。
【0028】
第二実施形態では、発光素子12及び中間反射面26aと第一凹柱面状反射面24及び第二凹柱面状反射面28との空間を、光透過性材料で充填せず、中空としている。また、放射面34aは透明な板状のものであり、中空部にゴミ等が入らないようにするためのカバーとして用いられる。そして、発光素子12の周辺をスプレーコート処理することにより、物理的な強度を高めると共に、発光素子12の防湿を図っている。また、第二実施形態では、線状光源の内部が中空であるため、放射面での界面屈折を考慮する必要がなくなるので、第二凹柱面状反射面28の形状は第一実施形態のものとやや異なる。その他の構成は上記第一実施形態と同様である。
【0029】
第二実施形態の線状光源でも、発光素子が発した光を発光素子が配列された直線上に反射する第一凹柱面状反射面と、発光素子が配列された直線上付近に配置された中間反射面とを設けたことにより、上記第一実施形態のものと同様に、均斉度及び照射光量密度の向上を図ることができる。
特に、第二実施形態では、発光素子及び中間反射面と第一凹柱面状反射面及び第二凹柱面状反射面との空間を中空としたことにより、発光素子の配列方向の長さが長い線状光源を容易に作製することができるという利点がある。発光素子の配列方向の長さが長い線状光源を作製する場合、発光素子及び中間反射面と第一凹柱面状反射面及び第二凹柱面状反射面との空間を光透過性材料等の樹脂で充填すると、樹脂封止する際に樹脂が収縮して歪みが生じ、長手方向の直線性が悪くなると共に、発光素子の寿命が低下してしまうからである。
【0030】
尚、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
たとえば、上記の第二実施形態において、発光素子の代わりにチップLEDを用いてもよい。チップLEDとは、発光素子が透明樹脂により封止され、電極を有し、表面実装できる電子部品である。
【0031】
また、上記の第二実施形態では、発光素子及び中間反射面と第一凹柱面状反射面及び第二凹柱面状反射面との空間を中空とした場合について説明したが、かかる空間を光透過性材料で充填するようにしてもよい。
更に、上記の各実施形態では、単色の発光素子を用いる場合について説明したが、赤色系の光を発する発光素子、緑色系の光を発する発光素子、青色系の光を発する発光素子を用いて、フルカラーの線状光源を形成するようにしてもよい。この場合、各色の発光素子毎に高い均斉度を有することが必要とされる。単純に考えても、単色の発光素子を用いた場合と同様の均斉度を持つようにするためには、三原色の発光素子を従来の三倍の密度で搭載しなければならない。しかしながら、発光素子の配列間隔をあまりに狭くすると、発熱により相互作用を受けやすく、発光素子の出力が低下したり、劣化しやすくなるという問題がある。また、線状光源では、一つの発光素子が劣化しても不良品となるため、搭載する発光素子が多くなれば、それだけ歩留りが悪くなるという問題もある。本発明の線状光源では、均斉度及び照射光量密度の向上を図ることができるため、三原色の発光素子の配列間隔を従来のものよりも広くすることができ、したがって、上記の問題点を解消して、容易にフルカラー化を実現することができる。しかも、たとえば、ある色の発光素子の光量が他の色の発光素子の光量に比べて不足している場合には、光量の不足している発光色の発光素子を連続して並べることができるという利点もある。
【0032】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、発光素子と発光素子との間に配置された中間反射面と、発光素子が発した光及び中間反射面で反射された光を反射する凹柱面状反射面とを有し、凹柱面状反射面を発光素子が配列された直線を含む面で二分割し、その一方の凹柱面状反射面の長手方向における断面を発光素子の位置を中心とする略円形状に形成し、且つ他方の凹柱面状反射面の長手方向における断面を入射した光を反射して外部に放射するように形成したことにより、中間反射面が擬似的な発光源となり、各発光素子が発する光の照度分布が広い範囲に及ぶので、均斉度の向上を図ることができると共に、中間反射面で反射された光のうち他方の凹柱面状反射面に入射する光も、発光素子から他方の凹柱面状反射面の側に放射された光と同様に、所定の照射領域に照射することができるので、照射光量密度の向上を図ることができる線状光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第一実施形態である線状光源の概略正面図、(b)はその線状光源のA−A矢視方向概略断面図、(c)はその線状光源のB−B矢視方向概略断面図である。
【図2】(a)はその線状光源の一の発光素子から発せられた光のy−z平面における光路を示す図、(b)はその線状光源の一の発光素子から発せられた光のx軸を含む平面における光路を示す図である。
【図3】その線状光源において発光素子の配列方向における照度分布を示す図である。
【図4】(a)は本発明の第二実施形態である線状光源の概略正面図、(b)はその線状光源のC−C矢視方向概略断面図、(c)はその線状光源のD−D矢視方向概略断面図である。
【図5】(a)は従来の線状光源の概略正面図、(b)はその線状光源のE−E矢視方向概略断面図、(c)はその線状光源のF−F矢視方向概略断面図である。
【図6】その線状光源において発光素子の配列方向における照度分布を示す図である。
【符号の説明】
12 発光素子
14a,14b リード
16 基板
17 回路パターン
18 ワイヤ
22 光透過性材料
24 第一凹柱面状反射面
26,26a 中間反射面
28 第二凹柱面状反射面
32 側部反射面
34,34b 放射面
Claims (7)
- 直線状に配列された複数の発光素子と、前記複数の発光素子に電力を供給するリード部と、前記発光素子と発光素子との間に配置された中間反射面と、前記発光素子の発光面に対向して設けられた前記発光素子が発した光及び前記中間反射面で反射された光を反射する凹柱面状反射面とを具備し、
前記凹柱面状反射面は、前記発光素子が配列された直線を含む面で二分割され、その一方の凹柱面状反射面の長手方向における断面は前記発光素子の位置を中心とする略円形状に形成され、且つ他方の凹柱面状反射面の長手方向における断面は入射した光を反射して外部に放射するように形成されていることを特徴とする線状光源。 - 前記他方の凹柱面状反射面は、反射した光を線状に集光するものであることを特徴とする請求項1記載の線状光源。
- 前記リード部を前記一方の凹柱面状反射面の側から外部に引き出したことを特徴とする請求項1又は2記載の線状光源。
- 前記複数の発光素子及び前記中間反射面と前記凹柱面状反射面との空間を、光透過性材料で充填したことを特徴とする請求項1乃至3記載の線状光源。
- 前記リード部は回路パターンが形成された基板を含むものであり、前記複数の発光素子は前記基板の回路パターン上に取り付けられていることを特徴とする請求項1乃至4記載の線状光源。
- 前記発光素子の配列方向における両側部に前記発光素子が発した光及び前記中間反射面で反射された光を反射する側部反射面を設けたことを特徴とする請求項1乃至5記載の線状光源。
- 前記複数の発光素子として、赤色系の光を発する発光素子と、緑色系の光を発する発光素子と、青色系の光を発する発光素子とを用いたことを特徴とする請求項1乃至6記載の線状光源。
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