JP3825295B2 - 照明装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発光素子と、この発光素子から発せられた光を屈折させる光屈折体とを備えた照明装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、その寿命の長さや発光効率の高さから、次世代光源として注目を浴びている。しかし、発光ダイオードの１個当たりの発光量自体は小さいため、照明装置として実用化するためには複数の発光ダイオードを配列して使用する必要がある。
【０００３】
ところが、発光ダイオードから発せられる光は、指向性を有しているため、単色の発光ダイオードのみを配列して使用した場合には輝度ムラが生じてしまい、また、赤、青、緑などの異なる発光色の発光ダイオードを隣接させて配列した場合には、それらの発光色が均一に混色しにくく、色ムラが発生する。
このような輝度ムラや色ムラの発生は、使用者に不快感を与え、商品価値を低下させる一因ともなる。
【０００４】
特開平１１−１６２２３２号公報には、上記問題を解決するため、複数の発光ダイオードが実装された基板の正面に、各発光ダイオードから発せられた光の配光を制御するレンズ板を設けたものが開示されている。このレンズ板は、各発光ダイオードに対応する位置にプリズムレンズを形成してなり、各発光ダイオードから発せられた光を当該対応するプリズムレンズで散乱させることにより、輝度ムラ又は色ムラを低減させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の照明装置で用いるレンズ板は、予め発光ダイオードの数およびその配列間隔に応じて設計する必要があるため、例えば発光ダイオードの数を少しでも増減したり、その配列間隔を少しでも変更したりすると、新たにレンズ板を設計し直さなければならず、それに応じて金型や、場合によっては製造ラインまでも変更する必要がある。これにより仕様変更に伴う製造コストの増加が著しい。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、輝度ムラや色ムラを効果的に改善できると共に、発光素子数の増減や配列間隔の変更などの仕様変更に容易に対応でき、製造コストの増大が生じない照明装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、基板上に複数の発光素子が設けられ、前記発光素子の上に複数の光屈折体が、隣合う発光素子の肩部に当接又は近接してそれぞれ配されていることを特徴とする。この構成によれば、発光素子から発せられた光は、光屈折体により反射及び屈折して散乱するため、輝度ムラや色ムラを改善できる。さらに、発光素子数が増減する場合でも、光屈折体の数を増減させることで容易に対応でき、また、発光素子の配列間隔の変更が、光屈折体が隣合う発光素子の肩部に当接できる範囲内であれば、光屈折体の仕様を変更せずに対応できる。
【０００８】
さらに、前記光屈折体は、球形であると共に、前記隣合う複数の発光素子は、正多角形の各頂点の位置に配設されており、各光屈折体が、前記正多角形に配設された複数の発光素子の内側の肩部に当接又は近接して配されていることを特徴とする。この構成によれば、光屈折体を規則正しく且つ安定性よく発光素子上に配することができる。
【０００９】
また、前記光屈折体は、前記基板に略平行な軸心を有する円柱形であると共に、前記隣合う複数の発光素子は、平行な列状に配設されており、 各光屈折体が、隣合う列における各発光素子の向い合う肩部に当接又は近接して配されていることを特徴とする。このようにすれば、光屈折体数を少なくでき、短時間で光屈折体を発光素子上に配することができる。
【００１０】
特に、前記複数の光屈折体における径が略同一であることを特徴とする。このため、光屈折体の製造が容易になると共に、発光素子数が増減する場合でも、同じ径の光屈折体の数を増減させることで、極めて容易に対応できる。
さらに、前記複数の光屈折体を第１の層とし、その上に第２の層として別の複数の光屈折体が、それぞれ、前記第１の層における隣合う光屈折体に当接又は近接して、積層配置されていることを特徴とする。この構成によれば、発光素子から発せられた光は、光屈折体により反射及び屈折して散乱するため、輝度ムラや色ムラをより改善できる。
【００１１】
また、前記複数の光屈折体は、前記複数の発光素子との間隙に流入された樹脂材料によって前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする。このようにすれば、複数の光屈折体を容易に固定することができる。
さらに、前記第１と第２の層における複数の光屈折体間および第１の層における複数の光屈折体と前記複数の発光素子間の間隙に流入された樹脂材料により、当該第１および第２の層における複数の光屈折体が、前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする。このようにすれば、第１及び第２の層のそれぞれの複数の光屈折体を容易に発光素子に固定できる。
【００１２】
しかも、前記複数の光屈折体と前記樹脂材料の内、少なくとも一方に光散乱用の粉末が含まれていることを特徴とする。このため、発光素子から発せられた光は、光散乱用の粉末により反射及び屈折してさらに散乱する。
一方、前記発光素子から発せられた光を特定方向を照射するための笠部材を備え、前記基板は、前記発光素子が設けられた面を笠部材の開口部に向けた状態で前記笠部材の内部に装着されると共に、前記樹脂材料は、前記基板と前記笠部材内周面に囲まれた空間に、少なくともその表面層における複数の光屈折体の一部が埋まるように充填されていることを特徴とする。
【００１３】
特に、前記笠部材の材料は、樹脂材料、セラミック材料あるいは金属材料のいずれかであることを特徴とする。このようにすれば、発光素子が発光する際に発熱する熱を笠部材を介して放熱させることができる。
また、前記複数の発光素子は、発光色が異なる複数種類の発光ダイオードであって、発光色の異なる発光ダイオードが互いに隣合うようにして前記基板上に設けられていることを特徴とする。このため、各発光ダイオードから発せられる光を混色させることができる。
【００１４】
しかも、前記複数の発光素子を点灯させる点灯回路を備えたことを特徴とする。このため、複数の発光素子を容易に点灯させることがきできる。さらに、前記点灯回路に給電するための給電用口金を備えたことを特徴としているので、点灯回路に容易に給電できる。
また、複数の発光素子を備えた照明装置の製造方法であって、基板の一方の面上に複数の発光素子を実装する第１の工程と、前記複数の発光素子上に、複数の第１球形レンズを、それぞれが隣合う発光素子の肩部に当接する状態で配設する第２の工程と、複数の第２球形レンズを、それぞれが隣合う前記第１球形レンズに当接する状態で配設する第３の工程とを含むことを特徴としている。この構成によれば、発光素子数が増減する場合でも、第１球形レンズ及び第２球形レンズの数をそれぞれ増減させることで容易に対応できる。また、発光素子の配列間隔の変更が、第１球形レンズが隣合う発光素子の肩部に当接できる範囲内であれば、第１球形レンズ及び第２球形レンズの仕様を変更せずに対応できる。
【００１５】
しかも、前記第３の工程の後に、第１、第２球形レンズおよび発光素子間の間隙に樹脂材料を流入させて、第１、第２球形レンズを固定する第４の工程を含むことを特徴としている。このため、第１、第２球形レンズを発光素子に容易固定できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る照明装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１−１．照明装置の構成
図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置１の構成を示す外観斜視図であり、内部の構成が分かりやすいように一部を切り欠いた断面図で示している。同図に示すように、照明装置１は、前方がラッパ状に広がって笠部となっているランプ筐体２と、このランプ筐体２の内側に取り付けられた円板状の基板３と、この基板３上に散在する状態で凸設された複数の発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと、これら発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを覆うように配設された複数の第１球形レンズ７と、これら第１球形レンズ７上に配設された複数の第２球形レンズ８と、これら第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とを発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに固定する透明な樹脂材料９と、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを点灯させるための点灯回路１０と、点灯回路１０に電気的に接続された電源供給用の口金１１とを備えている。
【００１７】
発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光するダイオードであり、以下において、発光色に関係なく単に発光ダイオードを一般的に示すときは符号４を使用する。
図２は、上記照明装置１の平面図であり、説明の便宜上、樹脂材料９の図示は省略している。同図に示すように第２球形レンズ８は、第１球形レンズ７間の隙間を埋めるように積層されている。
【００１８】
図３は、図２のＡ−Ａ線における照明装置１の縦断面図である。図示を簡易にするため、発光ダイオード４の断面は、その内部を省略して示してある。
同図に示すように、ランプ筐体２は、その周壁に基板３を位置決めするための段差２ａが内周面に形成されている。ランプ筐体２には、合成樹脂材料、セラミック、金属材料の何れかが使用され、例えばアルミニウム合金が使用される。ランプ筐体２の段差２ａから開口までの周壁は、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂから発せられた光が、特定の方向のみを照射するための笠部（ランプシェード）となっている。この笠部の内周面を鏡面仕上げにするか白色の塗料を塗装することにより光の照射効率を増すことができる。
【００１９】
段部２ａは、ランプ筐体２の軸心と直交する平面内にあるように形成されており、ここに接着剤もしくは螺子などにより基板３を設置することにより、当該基板３が、その主面とランプ筐体２の軸心が直交した状態で保持される。
ここで、基板３は、放熱性多層基板が使用されている。この放熱性多層基板は、ガラスエポキシ（ガラス繊維強化プラスチック）により構成されており、これにより発光ダイオード４で発生した熱をランプ筐体２を介して外部に放熱するようになっている。なお、この基板３には各発光ダイオード４に給電するための配線路も形成されるが、これらの図示は省略されている。
【００２０】
図４は、図２のＡ−Ａ線の中央部における拡大断面図である。同図に示すように、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、光を発光する発光ダイオード素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、これらの発光ダイオード素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを封止するための砲弾型のプラスチックレンズ６とから構成されている。このプラスチックレンズ６の材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはポリカーボネイト等が用いられる。
【００２１】
そして、各第１球形レンズ７は、隣合う発光ダイオード４のプラスチックレンズ６の肩部６１に当接した状態で配されている。各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂのサイズは同じで、等ピッチでマトリクス状に配列され、かつ、第１球形レンズ７は、全て同じ径のものが使用されているので、各第１球形レンズ７の下部が、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの基板３から同じ高さにある肩部６１に当接して位置決めされる。これにより各第１球形レンズ７の中心が基板３と略平行な同一面上に等ピッチでマトリクス状に規則正しく配列されるようになっている。
【００２２】
第２球形レンズ８は、隣合う第１球形レンズ７の表面に当接した状態で配されている。複数の第２球形レンズ８は、各第２球形レンズ８の中心が基板３と略平行な同一面上に存在するようになっている。
なお、複数の第１、第２球形レンズ７、８が重なって基板３と略平行な層状に配されていることから、第１球形レンズ７により形成される層を第１の層、第２球形レンズ８により形成される層を第２の層ということもある。
【００２３】
また、第１球形レンズ７のうち周辺部にあるものは、図２及び図３に示すように、その下方の発光ダイオード４の肩部とランプ筐体２の段部２ｂとにより支持されている。同様に、第２球形レンズ８のうち周辺部にあるものは、その下方の第１球形レンズ７とランプ筐体２の突起部２ｃとにより支持されている。
なお、上述のように周辺部の球形レンズを支持するためにランプ筐体２に段部２ｂ、突起部２ｃを設ける以外に他の方法を用いてもよい。例えば、笠部の広がり具合によっては、上記段部なしに周辺部の球形レンズを直接笠部の内周面により保持するように笠部の内径を設定してもよいし、第１球形レンズ７については、その周辺部のものを支持するため、基板３の発光ダイオード４の周辺部に、発光ダイオード４と同じ形状の部材を凸設するようにしてもよい。
【００２４】
樹脂材料９は、第１、第２球形レンズ７、８および発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂとを相互に連結して固定するためのものである。樹脂材料９は、第２球形レンズ８およびそれより下層の第１球形レンズ７、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの全てを埋め込むように充填されており、複数の第１、第２球形レンズ７、８および発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂにおける全ての隙間に流入した樹脂材料９が硬化することによりそれらが一体として固定される。
【００２５】
このような樹脂材料９として、透明で光の透過率の高く、かつ、発光ダイオード４の発光時の発熱を考慮して、耐熱性に優れたものが好ましく、例えば、透明なエポキシ樹脂材料、アクリル樹脂材料、シリコーン樹脂材料等が使用される。
また、樹脂材料９は、突起部２ｃがランプ筐体２の内周面から内側に突出しているため、突起部２ｃの下側に入りこむことができる。従って、樹脂材料９は、ランプ筐体２の内周面から剥がれても、突起部２ｃで係止されるため、樹脂材料９、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８、発光ダイオード４及び基板３がランプ筐体２から外れることはない。このため、突起部２ｃを設けることにより、基板３を接着剤もしくは螺子などを利用しなくてもランプ筐体２に取り付けることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、樹脂材料９は、第２球形レンズ８の全部が埋まるまで充填されているが、確実に第２球形レンズ８が固定されるのであれば、第２球形レンズ８の一部だけが樹脂材料９内に埋まる程度に充填されるだけでもよい。
また、発光ダイオード４から発光された光を効果的に散乱させるためには、第１、第２球形レンズ７、８と、樹脂材料９は、相互に屈折率が異なる材料が選択されるのが望ましく、さらには第１、第２球形レンズ７、８の屈折率が樹脂材料９の屈折率よりも高い方が望ましい。これらによる光散乱の効果については後述する。
【００２７】
さらに光の散乱効果を高めるために、樹脂材料９の中に光散乱効果のある粉末を混入してもよい。このような粉末として、例えば、平均粒子径が１０μｍから１．０ｍｍの無機物や有機物の粒子が使用されるが、具体的な粒子径およびその混入量は発光ダイオード４及び第１、第２球形レンズ７、８の大きさに対応して適宜決定される。このような粉末の例としてはシリカを挙げることができる。
【００２８】
この樹脂材料９は、その周囲においてランプ筐体２の笠部の内周面に密着しており、発光ダイオード４の発光時に生じる熱は、当該樹脂材料９を介してランプ筐体２に伝わり、このランプ筐体２から放熱される。
図５は、発光ダイオード４上に第１球形レンズ７を載置した状態を示す平面図であり、説明の便宜上樹脂材料９の図示は省略している。
【００２９】
複数の発光ダイオード４は円形の基板３の略全面に、図５に示すように互いに直交する２方向（図５において、Ｘ方向、Ｙ方向）に等間隔でマトリクス状態で配置される。発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの配置は、図４及び図５にも示すように、同じ発光色の発光ダイオード４がＸ方向及びＹ方向に隣り合わないように、所定の順序、例えば、赤色、緑色、青色の順序で並べられている。
【００３０】
各発光ダイオード４と第１球形レンズ７との位置関係および径の大きさの関係を、発光ダイオード４のうちの発光ダイオード４１、４２、４３、４４および第１球形レンズ７のうちの球形レンズ７１を例にして説明する。
発光ダイオード４１、４２、４３、４４は、同径・同サイズであり、図５に示すようにその中心が正四角形Ｂ（仮想線で表示）の頂点の位置にくるように配置されており、これら４個の発光ダイオード４１、４２、４３、４４の各肩部に第１球形レンズ７1が当接するようになっている。
【００３１】
第１球形レンズ７１の半径は、正四角形Ｂに内接する内接円の半径より小さく、また、正四角形Ｂの中心と各発光ダイオード４１、４２、４３、４４の周面で当該中心にもっとも近い位置との距離より大きい寸法である。
具体的に説明すると、発光ダイオード４は、その直径が３ｍｍで、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれ４ｍｍ間隔で基板３に実装されている。第１球形レンズ７の半径は、１．８ｍｍで、正四角形Ｂに内接する内接円の半径２ｍｍより小さく、前記正四角形Ｂの中心と発光ダイオード４１、４２、４３、４４の周面でその中心にもっとも近い位置との距離１．３３ｍｍより大きい。
【００３２】
以上のようにすることにより、第１球形レンズ７１の下側球面の４点（この４点を結べば正方形となる）が、発光ダイオード４１、４２、４３、４４の内側の肩部に当接し、第１球形レンズ７１の中心が、正四角形Ｂの中心と一致する。他の発光ダイオード４と第１球形レンズ７もこのような位置関係になるので、第１球形レンズ７の全てが規則正しく位置決めされることになる。
【００３３】
このような関係は、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８との位置関係においても同じである。
図６は、第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置した状態を示す平面図であり、説明の便宜上本図でも樹脂材料９の図示は省略している。
第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の位置関係を、第１球形レンズ７のうちの球形レンズ７１、７２、７３、７４と第２球形レンズ８のうちの第２球形レンズ８１を例にして説明する。
【００３４】
第１球形レンズ７１、７２、７３、７４は、その中心が正四角形Ｃ（仮想線で表示）の各頂点となり、これら４個の第１球形レンズ７１、７２、７３、７４に第２球形レンズ８１が載置されている。
第２球形レンズ８１の直径は、正四角形Ｃに内接する円より小さく、対角上に対向する第１球形レンズ（７１と７３、又は７２と７４）の間隙の寸法より大きくなるように設定されており、本実施の形態では、第２球形レンズ８の直径は、３ｍｍで、第１球形レンズ７の直径と同じに設定される。
【００３５】
これにより第２球形レンズ８１の下側球面が第１球形レンズ７１、７２、７３、７４に規則正しく当接するため、第２球形レンズ８が規則正しく位置決めされて配列される。
以上のような積層構造にすることにより、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８が発光ダイオード４に対して規則正しく配列され、これにより各発光ダイオード４から射出される光を散乱する効果を均一にでき、色ムラの解消に資することができる。
【００３６】
第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８の材料は、透明なガラス材料或いは透明な合成樹脂材料が使用されている。第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８に合成樹脂材料を使用する場合は、耐熱性に優れたものが好ましい。これは、発光ダイオード４が発光時に発熱するためである。
なお、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の材質を互いに異なるようにしてもよく、例えば、第１球形レンズ７にガラス材料を、第２球形レンズ８に合成樹脂材料をそれぞれ使用してもよい。但し、樹脂材料９と屈折率の異なるものを使用することが望ましいことは既述の通りである。また、製造方法の観点から樹脂材料９よりも比重が大きくなければならない。
【００３７】
１−２．製造方法
図７は、基板３に配設された発光ダイオード４上に、上述のように第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を順に載置し、これらを固定するための樹脂材料９を形成するまでの製造工程の概略を示す断面図である。
ランプ筐体２の段部２ａに、発光ダイオード４が実装された基板３を装着した後、ランプ筐体２の開口部を上に向け、基板３が水平になるように保持する。図７（ａ）は、この基板３の一部のみを示している。なお、基板３上には配線路が形成されており、その配線路に電気的に接続した状態で発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが実装されている。
【００３８】
次に、図７（ｂ）に示すように、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ上に第１球形レンズ７を載置する。つまり、正四角形状に隣合う４個の発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に、第１球形レンズ７が当接するように第１球形レンズ７を載置する（図５参照）。この時、各第１球形レンズ７は、正四角形状に配設された発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ間にある凹部にその球面の一部が入り込み、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接して位置決めされる。
【００３９】
そして、図７（ｃ）に示すように、隣合う第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置する。この時、第２球形レンズ８は、正四角形状に隣合う第１球形レンズ７間に生じた凹部にその球面の一部が入り込み、各第１球形レンズ７の上部に当接して位置決めされる（図６参照）。
最後に、不図示のノズルにより、ランプ筐体２の開口部から樹脂材料９を、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８の位置がずれないように静かに注入していく。この際、樹脂材料９の粘性が高いと第１球形レンズ７、第２球形レンズ８が押し流されてしまうので、適度の流動性が必要である。
【００４０】
注入された樹脂材料９は、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの各間の隙間を通って基板３表面に至り、徐々に嵩が増して第２球形レンズ８の全部が埋まったときに樹脂材料９の注入を停止する（図７（ｄ））。
この状態で樹脂材料９を硬化させる。例えば、樹脂材料９として熱硬化性のエポキシ樹脂を使用している場合には、これを加熱して硬化させる。これにより、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を発光ダイオード４に一体として固定させることができる。樹脂材料９は、ランプ筐体２の内周面にも及んでいるので、これと密着した状態で硬化しており、これにより既述のような放熱効果が得られる。
【００４１】
本実施の形態で説明した製造方法によれば、たとえ、発光ダイオード４の数が増減した場合であっても、使用する第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８の数を増減させればよいだけなので、仕様変更に容易に対応することができる。
また、発光ダイオード４は、直交する方向に等間隔をおいてマトリクス状に規則正しく配置され、また、複数の第１球形レンズ７の直径が略同一になっている。このため、発光ダイオード４上に載置された各第１球形レンズ７の中心間の間隔がそれぞれ同一になり、第１球形レンズ１を規則正しく配置することができる。
【００４２】
さらに、各第１球形レンズ７が規則正しく配置され、また複数の第２球形レンズ８の直径が同一になっているため、発光ダイオード４の中心線（基板３に対して鉛直方向）上に第２球形レンズ８の中心が存在する。
また、樹脂材料９は、その外周縁がランプ筐体２の周壁の内面に接しているので、発光ダイオード４の発光時に生じる熱は、樹脂材料９を介してランプ筐体２から放熱される。このため、発光ダイオード４を複数用いた、つまり発光ダイオード４を集積化して使用する場合でも、発光ダイオード４からの発熱による発光効率の低下や低寿命化を防ぐことができる。
【００４３】
１−３．試験結果
上記構成の照明装置において、色ムラがどの程度低減できたかを確認するために、株式会社トプコン製の輝度計「ＢＭ−７」（商品名）を使用して照射面の色度分布の測定を行った。本試験は、上記のように所定の順序で基板３に凸設された発光ダイオード４の上に、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とを配した照明装置（以下、「発明品」という。）と、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の双方を有していない照明装置（以下、「非発明品」という。）とを比較してなされた。
【００４４】
図８は、上記の発明品と非発明品のそれぞれについて、光源から一定の距離をおいて配された照射面における色度分布を測定した結果を示すグラフである。ここでは、色度ｘ、ｙの最大値と最小値との差を色ムラとし、それぞれΔｘ、Δｙとして表している。
同グラフに示すように、本発明のように球形レンズを有する場合には、Δｘ、Δｙはそれぞれ０．１５９、０．１４４であるのに対し、球形レンズを配していない非発明品の場合には、Δｘ、Δｙは０．５１６、０．５３２となった。
この結果から明らかなように、球形レンズを配した発明品の場合、球形レンズを配しなかった非発明の場合に比べて、色ムラを約７１％低減させることができる。
【００４５】
このように本発明品により色ムラが大幅に解消されたのは、上記第１球形レンズ７、第２球形レンズ８により発光ダイオード４から発せられた光が、十分散乱された結果であると言える。
図９は、発光ダイオード４から発せられる光が、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８により散乱される様子を模式的に示す図である。同図において破線は第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配していない場合の光路の例を示し、実線は、第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配している場合の光路の例を示している。
【００４６】
この図から明らかなように、第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配した場合、発光ダイオード４から発せられた光の一部は、第１球形レンズ７で反射し、また第１球形レンズ７から出射した光は、第２球形レンズ８で反射したり、第２球形レンズ８から出射する際に屈折したりして散乱される。このように、第１、第２球形レンズ７、８を配することにより、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂから発せられた光は充分散乱して互いに混ざるため、色ムラをなくすることができる。なお、発光ダイオードの発光色が単一色である場合も同様に、発光ダイオードから発せられた光は散乱するので、輝度ムラを削減することができる。
【００４７】
（変形例）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明の内容が、上記実施の形態に示された具体例に限定されないことは勿論であり、例えば以下のような変形例を実施することができる。
（１）上記の実施の形態においては、球形レンズを２層形成したが、１層にしても色ムラ解消の効果はある程度得られる。
【００４８】
図１０は、この場合における照明装置の発光ダイオード４周辺の断面を示す図である。同図に示すように本変形例では、第１球形レンズ７（以下、本変形例において単に「球形レンズ７」という。）を発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接した状態で配したものである。
このような照明装置において、色ムラがどの程度低減できたかを確認するために、上記実施の形態と同様に照射面の色度分布の測定を行った。試験に用いた照明装置は、発光ダイオード４の肩部に球形レンズ７を配した照明装置と、球形レンズ７を配していない照明装置とである。
【００４９】
球形レンズ７を配している場合は、Δｘ、Δｙはそれぞれ０．２０３、０．２１０であるのに対して、球形レンズ７を配していない場合は、Δｘ、Δｙは０．５１６、０．５３２であった。この結果から明らかなように、球形レンズ７を配した本実施の形態では、球形レンズ７を配していない場合に比べて、色ムラが約６０％低減させることができる。
【００５０】
（２）上記の実施の形態では、光屈折体として、球形状の第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を使用しているが、例えば、図１１に示すような、基板３と平行な軸心を有する円柱レンズ１３、１４を用いてもよい。この場合、円柱レンズ１３、１４が隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接するには、円柱レンズ１３、１４の直径が、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの中心間距離（ピッチ）より小さく、また隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ間の隙間寸法より大きければよい。
【００５１】
（３）上記の実施の形態では、発光ダイオード４のプラスチックレンズ６は、その外形が砲弾型のものを使用しているが、他の形状、例えば円柱形状、円錐形状、四角柱形状、多角柱形状等であっても、実現可能である。また、発光ダイオード４として、例えばＳＭＤ（Surface Mount Device 表面実装）型のものを使用しても良い。
【００５２】
（４）光散乱用のレンズとして、円柱レンズと球形レンズを組み合わせて用いてもよい。例えば、１層目を球形レンズで構成し、２層目を円柱レンズで構成してもよい。
（５）上記の実施の形態では、図５において、４個の発光ダイオード４1、４２、４３、４４の位置が、正四角形Ｂの頂点位置となるように配設されているが、他の正多角形でも、同様に実施することができる。図１２は、６個の発光ダイオード４の各中心位置が正六角形Ｅの頂点位置になるように配置した発光ダイオード４上に、第１球形レンズ７を載置させた状態を示す平面図である。
【００５３】
同図に示すように、６個の発光ダイオード４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６は、仮想線で示す正六角形Ｅの頂点位置に配設されている。第１球形レンズ７１の半径は、正六角形Ｅに内接する内接円の半径より小さく、また、正六角形状の中心と各発光ダイオード４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６における前記中心にもっとも近い位置との距離より大きければ、第１球形レンズ７は発光ダイオード４の肩部に当接できる。
【００５４】
図１３は、第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置した状態を示す平面図である。第２球形レンズ８１は、３個の第１球形レンズ７１、７２、７３の上部に当接した状態で配されている。なお、第２球形レンズ８１の中心は、図１２の発光ダイオード４０２の中心線上にある。また、第２球形レンズ８の直径は、隣合う第１球形レンズ７に跨って載置でき、隣合う発光ダイオード４の中心間距離より小さければよい。
【００５５】
（６）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を固定するために、発光ダイオード４、第１、２球形レンズ７、８の全てが埋まるように樹脂材料９を流し込んで固着させたが、第１、２球形レンズ７、８及び発光ダイオード４の互いに当接する部分を接着剤により固定するようにしてもよい。
また、上記以外の保持手段を用いてもよい。このような保持手段としては、透明な板を、最上層の第２球形レンズ８の上側に当接させ、これで第２球形レンズ８、第１球形レンズ７を基板３側に押圧するようにしてランプ筐体２に固定するようにすることも可能である。
【００５６】
（７）上記の実施の形態では、発光ダイオード４上に第１の層として第１球形レンズ７を、第１球形レンズ７上に第２の層として第２球形レンズ８を配しているが、第２球形レンズ８上に１以上の層を設けてもよい。この場合においても各層の複数の球形レンズは、その下層の隣合う球形レンズの上部に当接する状態で積層配置される。
【００５７】
なお、層を多くすると照明装置１から出射する光の色ムラ、輝度ムラは減少するが、逆に光出力が低下するので、本実施の形態のように２層にするのが妥当であろう。
（８）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の直径を同一としているが、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とで異なるようにしてもよい。また、複数の層状に配置する場合は、各層内の球形レンズの直径が同一であればよく、層ごとで球形レンズの直径が異なるようにしてもよい。
【００５８】
（９）上記の実施の形態では、発光色が異なる発光ダイオード４を３種類用いているが、発光色が１種類の発光ダイオード４を複数個用いてもよい。
（１０）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７及び円柱レンズ１３は隣合う発光ダイオード４に、また第２球形レンズ８及び円柱レンズ１４は下層の隣合うレンズ８、１４にそれぞれ当接して配されているが、各レンズの加工精度、発光ダイオード４の実装位置の精度を考慮すると、各レンズは隣合う発光ダイオード４又は下層の隣合うレンズ８，１４すべてに当接しない場合がある。しかしながら、レンズは、発光ダイオード４又は下層のレンズ８、１４に少なくとも３箇所で当接しておれば、他の発光ダイオード４又は下層のレンズ８、１４に近接していても、レンズの載置状態は保持されるので、上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る照明装置は、基板上に複数の発光素子が設けられ、前記発光素子の上に複数の光屈折体が、隣合う発光素子の肩部に当接又は近接してそれぞれ配されている。
このため、輝度ムラや色ムラを低減させることができ、しかも仕様変更、例えば発光素子の数が増減するような仕様変更があっても、発光素子上に載置される光屈折体の数を増減すれば容易に対応することができる。
【００６０】
また、複数の発光素子を備えた照明装置の製造方法であって、基板の一方の面上に複数の発光素子を実装する第１の工程と、前記複数の発光素子上に、複数の第１球形レンズを、それぞれが隣合う発光素子の肩部に当接する状態で配設する第２の工程と、複数の第２球形レンズを、それぞれが隣合う前記第１球形レンズに当接する状態で配設する第３の工程とを含んでいる。このため、仕様変更、例えば発光素子の数が増減するような仕様変更があっても、発光素子上に載置される光屈折体の数を増減すれば容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における照明装置の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における照明装置の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における照明装置の縦断面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線の中央部における拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における第１球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態における第２球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態における照明装置の製造工程の概略を説明する説明図である。
【図８】本発明の実施の形態における色度分布を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態における光の散乱状態を説明する説明図である。
【図１０】本発明の変形例（１）における要部の拡大断面図である。
【図１１】光屈折体として円柱レンズを使用した場合の要部の斜視図である。
【図１２】発光ダイオードを正六角形状に配置し、この発光ダイオード上に第１球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図１３】発光ダイオードを正六角形状に配置し、第１球形レンズ上に第２球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
２ ランプ筐体
３ 基板
４ 発光ダイオード
７ 第１球形レンズ
８ 第２球形レンズ
９ 樹脂材料
１０ 点灯回路
１１ 口金
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の発光素子と、この発光素子から発せられた光を屈折させる光屈折体とを備えた照明装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードは、その寿命の長さや発光効率の高さから、次世代光源として注目を浴びている。しかし、発光ダイオードの１個当たりの発光量自体は小さいため、照明装置として実用化するためには複数の発光ダイオードを配列して使用する必要がある。
【０００３】
ところが、発光ダイオードから発せられる光は、指向性を有しているため、単色の発光ダイオードのみを配列して使用した場合には輝度ムラが生じてしまい、また、赤、青、緑などの異なる発光色の発光ダイオードを隣接させて配列した場合には、それらの発光色が均一に混色しにくく、色ムラが発生する。
このような輝度ムラや色ムラの発生は、使用者に不快感を与え、商品価値を低下させる一因ともなる。
【０００４】
特開平１１−１６２２３２号公報には、上記問題を解決するため、複数の発光ダイオードが実装された基板の正面に、各発光ダイオードから発せられた光の配光を制御するレンズ板を設けたものが開示されている。このレンズ板は、各発光ダイオードに対応する位置にプリズムレンズを形成してなり、各発光ダイオードから発せられた光を当該対応するプリズムレンズで散乱させることにより、輝度ムラ又は色ムラを低減させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の照明装置で用いるレンズ板は、予め発光ダイオードの数およびその配列間隔に応じて設計する必要があるため、例えば発光ダイオードの数を少しでも増減したり、その配列間隔を少しでも変更したりすると、新たにレンズ板を設計し直さなければならず、それに応じて金型や、場合によっては製造ラインまでも変更する必要がある。これにより仕様変更に伴う製造コストの増加が著しい。
【０００６】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、輝度ムラや色ムラを効果的に改善できると共に、発光素子数の増減や配列間隔の変更などの仕様変更に容易に対応でき、製造コストの増大が生じない照明装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、基板上に複数の発光素子が設けられ、前記発光素子の上に複数の光屈折体が、隣合う発光素子の肩部に当接又は近接してそれぞれ配されていることを特徴とする。この構成によれば、発光素子から発せられた光は、光屈折体により反射及び屈折して散乱するため、輝度ムラや色ムラを改善できる。さらに、発光素子数が増減する場合でも、光屈折体の数を増減させることで容易に対応でき、また、発光素子の配列間隔の変更が、光屈折体が隣合う発光素子の肩部に当接できる範囲内であれば、光屈折体の仕様を変更せずに対応できる。
【０００８】
さらに、前記光屈折体は、球形であると共に、前記隣合う複数の発光素子は、正多角形の各頂点の位置に配設されており、各光屈折体が、前記正多角形に配設された複数の発光素子の内側の肩部に当接又は近接して配されていることを特徴とする。この構成によれば、光屈折体を規則正しく且つ安定性よく発光素子上に配することができる。
【０００９】
また、前記光屈折体は、前記基板に略平行な軸心を有する円柱形であると共に、前記隣合う複数の発光素子は、平行な列状に配設されており、 各光屈折体が、隣合う列における各発光素子の向い合う肩部に当接又は近接して配されていることを特徴とする。このようにすれば、光屈折体数を少なくでき、短時間で光屈折体を発光素子上に配することができる。
【００１０】
特に、前記複数の光屈折体における径が略同一であることを特徴とする。このため、光屈折体の製造が容易になると共に、発光素子数が増減する場合でも、同じ径の光屈折体の数を増減させることで、極めて容易に対応できる。
さらに、前記複数の光屈折体を第１の層とし、その上に第２の層として別の複数の光屈折体が、それぞれ、前記第１の層における隣合う光屈折体に当接又は近接して、積層配置されていることを特徴とする。この構成によれば、発光素子から発せられた光は、光屈折体により反射及び屈折して散乱するため、輝度ムラや色ムラをより改善できる。
【００１１】
また、前記複数の光屈折体は、前記複数の発光素子との間隙に流入された樹脂材料によって前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする。このようにすれば、複数の光屈折体を容易に固定することができる。
さらに、前記第１と第２の層における複数の光屈折体間および第１の層における複数の光屈折体と前記複数の発光素子間の間隙に流入された樹脂材料により、当該第１および第２の層における複数の光屈折体が、前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする。このようにすれば、第１及び第２の層のそれぞれの複数の光屈折体を容易に発光素子に固定できる。
【００１２】
しかも、前記複数の光屈折体と前記樹脂材料の内、少なくとも一方に光散乱用の粉末が含まれていることを特徴とする。このため、発光素子から発せられた光は、光散乱用の粉末により反射及び屈折してさらに散乱する。
一方、前記発光素子から発せられた光を特定方向を照射するための笠部材を備え、前記基板は、前記発光素子が設けられた面を笠部材の開口部に向けた状態で前記笠部材の内部に装着されると共に、前記樹脂材料は、前記基板と前記笠部材内周面に囲まれた空間に、少なくともその表面層における複数の光屈折体の一部が埋まるように充填されていることを特徴とする。
【００１３】
特に、前記笠部材の材料は、樹脂材料、セラミック材料あるいは金属材料のいずれかであることを特徴とする。このようにすれば、発光素子が発光する際に発熱する熱を笠部材を介して放熱させることができる。
また、前記複数の発光素子は、発光色が異なる複数種類の発光ダイオードであって、発光色の異なる発光ダイオードが互いに隣合うようにして前記基板上に設けられていることを特徴とする。このため、各発光ダイオードから発せられる光を混色させることができる。
【００１４】
しかも、前記複数の発光素子を点灯させる点灯回路を備えたことを特徴とする。このため、複数の発光素子を容易に点灯させることがきできる。さらに、前記点灯回路に給電するための給電用口金を備えたことを特徴としているので、点灯回路に容易に給電できる。
また、複数の発光素子を備えた照明装置の製造方法であって、基板の一方の面上に複数の発光素子を実装する第１の工程と、前記複数の発光素子上に、複数の第１球形レンズを、それぞれが隣合う発光素子の肩部に当接する状態で配設する第２の工程と、複数の第２球形レンズを、それぞれが隣合う前記第１球形レンズに当接する状態で配設する第３の工程とを含むことを特徴としている。この構成によれば、発光素子数が増減する場合でも、第１球形レンズ及び第２球形レンズの数をそれぞれ増減させることで容易に対応できる。また、発光素子の配列間隔の変更が、第１球形レンズが隣合う発光素子の肩部に当接できる範囲内であれば、第１球形レンズ及び第２球形レンズの仕様を変更せずに対応できる。
【００１５】
しかも、前記第３の工程の後に、第１、第２球形レンズおよび発光素子間の間隙に樹脂材料を流入させて、第１、第２球形レンズを固定する第４の工程を含むことを特徴としている。このため、第１、第２球形レンズを発光素子に容易固定できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る照明装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１−１．照明装置の構成
図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置１の構成を示す外観斜視図であり、内部の構成が分かりやすいように一部を切り欠いた断面図で示している。同図に示すように、照明装置１は、前方がラッパ状に広がって笠部となっているランプ筐体２と、このランプ筐体２の内側に取り付けられた円板状の基板３と、この基板３上に散在する状態で凸設された複数の発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと、これら発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを覆うように配設された複数の第１球形レンズ７と、これら第１球形レンズ７上に配設された複数の第２球形レンズ８と、これら第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とを発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに固定する透明な樹脂材料９と、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを点灯させるための点灯回路１０と、点灯回路１０に電気的に接続された電源供給用の口金１１とを備えている。
【００１７】
発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、それぞれ赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）を発光するダイオードであり、以下において、発光色に関係なく単に発光ダイオードを一般的に示すときは符号４を使用する。
図２は、上記照明装置１の平面図であり、説明の便宜上、樹脂材料９の図示は省略している。同図に示すように第２球形レンズ８は、第１球形レンズ７間の隙間を埋めるように積層されている。
【００１８】
図３は、図２のＡ−Ａ線における照明装置１の縦断面図である。図示を簡易にするため、発光ダイオード４の断面は、その内部を省略して示してある。
同図に示すように、ランプ筐体２は、その周壁に基板３を位置決めするための段差２ａが内周面に形成されている。ランプ筐体２には、合成樹脂材料、セラミック、金属材料の何れかが使用され、例えばアルミニウム合金が使用される。ランプ筐体２の段差２ａから開口までの周壁は、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂから発せられた光が、特定の方向のみを照射するための笠部（ランプシェード）となっている。この笠部の内周面を鏡面仕上げにするか白色の塗料を塗装することにより光の照射効率を増すことができる。
【００１９】
段部２ａは、ランプ筐体２の軸心と直交する平面内にあるように形成されており、ここに接着剤もしくは螺子などにより基板３を設置することにより、当該基板３が、その主面とランプ筐体２の軸心が直交した状態で保持される。
ここで、基板３は、放熱性多層基板が使用されている。この放熱性多層基板は、ガラスエポキシ（ガラス繊維強化プラスチック）により構成されており、これにより発光ダイオード４で発生した熱をランプ筐体２を介して外部に放熱するようになっている。なお、この基板３には各発光ダイオード４に給電するための配線路も形成されるが、これらの図示は省略されている。
【００２０】
図４は、図２のＡ−Ａ線の中央部における拡大断面図である。同図に示すように、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、光を発光する発光ダイオード素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂと、これらの発光ダイオード素子５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを封止するための砲弾型のプラスチックレンズ６とから構成されている。このプラスチックレンズ６の材料として、エポキシ樹脂、アクリル樹脂またはポリカーボネイト等が用いられる。
【００２１】
そして、各第１球形レンズ７は、隣合う発光ダイオード４のプラスチックレンズ６の肩部６１に当接した状態で配されている。各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂのサイズは同じで、等ピッチでマトリクス状に配列され、かつ、第１球形レンズ７は、全て同じ径のものが使用されているので、各第１球形レンズ７の下部が、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの基板３から同じ高さにある肩部６１に当接して位置決めされる。これにより各第１球形レンズ７の中心が基板３と略平行な同一面上に等ピッチでマトリクス状に規則正しく配列されるようになっている。
【００２２】
第２球形レンズ８は、隣合う第１球形レンズ７の表面に当接した状態で配されている。複数の第２球形レンズ８は、各第２球形レンズ８の中心が基板３と略平行な同一面上に存在するようになっている。
なお、複数の第１、第２球形レンズ７、８が重なって基板３と略平行な層状に配されていることから、第１球形レンズ７により形成される層を第１の層、第２球形レンズ８により形成される層を第２の層ということもある。
【００２３】
また、第１球形レンズ７のうち周辺部にあるものは、図２及び図３に示すように、その下方の発光ダイオード４の肩部とランプ筐体２の段部２ｂとにより支持されている。同様に、第２球形レンズ８のうち周辺部にあるものは、その下方の第１球形レンズ７とランプ筐体２の突起部２ｃとにより支持されている。
なお、上述のように周辺部の球形レンズを支持するためにランプ筐体２に段部２ｂ、突起部２ｃを設ける以外に他の方法を用いてもよい。例えば、笠部の広がり具合によっては、上記段部なしに周辺部の球形レンズを直接笠部の内周面により保持するように笠部の内径を設定してもよいし、第１球形レンズ７については、その周辺部のものを支持するため、基板３の発光ダイオード４の周辺部に、発光ダイオード４と同じ形状の部材を凸設するようにしてもよい。
【００２４】
樹脂材料９は、第１、第２球形レンズ７、８および発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂとを相互に連結して固定するためのものである。樹脂材料９は、第２球形レンズ８およびそれより下層の第１球形レンズ７、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの全てを埋め込むように充填されており、複数の第１、第２球形レンズ７、８および発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂにおける全ての隙間に流入した樹脂材料９が硬化することによりそれらが一体として固定される。
【００２５】
このような樹脂材料９として、透明で光の透過率の高く、かつ、発光ダイオード４の発光時の発熱を考慮して、耐熱性に優れたものが好ましく、例えば、透明なエポキシ樹脂材料、アクリル樹脂材料、シリコーン樹脂材料等が使用される。
また、樹脂材料９は、突起部２ｃがランプ筐体２の内周面から内側に突出しているため、突起部２ｃの下側に入りこむことができる。従って、樹脂材料９は、ランプ筐体２の内周面から剥がれても、突起部２ｃで係止されるため、樹脂材料９、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８、発光ダイオード４及び基板３がランプ筐体２から外れることはない。このため、突起部２ｃを設けることにより、基板３を接着剤もしくは螺子などを利用しなくてもランプ筐体２に取り付けることができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、樹脂材料９は、第２球形レンズ８の全部が埋まるまで充填されているが、確実に第２球形レンズ８が固定されるのであれば、第２球形レンズ８の一部だけが樹脂材料９内に埋まる程度に充填されるだけでもよい。
また、発光ダイオード４から発光された光を効果的に散乱させるためには、第１、第２球形レンズ７、８と、樹脂材料９は、相互に屈折率が異なる材料が選択されるのが望ましく、さらには第１、第２球形レンズ７、８の屈折率が樹脂材料９の屈折率よりも高い方が望ましい。これらによる光散乱の効果については後述する。
【００２７】
さらに光の散乱効果を高めるために、樹脂材料９の中に光散乱効果のある粉末を混入してもよい。このような粉末として、例えば、平均粒子径が１０μｍから１．０ｍｍの無機物や有機物の粒子が使用されるが、具体的な粒子径およびその混入量は発光ダイオード４及び第１、第２球形レンズ７、８の大きさに対応して適宜決定される。このような粉末の例としてはシリカを挙げることができる。
【００２８】
この樹脂材料９は、その周囲においてランプ筐体２の笠部の内周面に密着しており、発光ダイオード４の発光時に生じる熱は、当該樹脂材料９を介してランプ筐体２に伝わり、このランプ筐体２から放熱される。
図５は、発光ダイオード４上に第１球形レンズ７を載置した状態を示す平面図であり、説明の便宜上樹脂材料９の図示は省略している。
【００２９】
複数の発光ダイオード４は円形の基板３の略全面に、図５に示すように互いに直交する２方向（図５において、Ｘ方向、Ｙ方向）に等間隔でマトリクス状態で配置される。発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの配置は、図４及び図５にも示すように、同じ発光色の発光ダイオード４がＸ方向及びＹ方向に隣り合わないように、所定の順序、例えば、赤色、緑色、青色の順序で並べられている。
【００３０】
各発光ダイオード４と第１球形レンズ７との位置関係および径の大きさの関係を、発光ダイオード４のうちの発光ダイオード４１、４２、４３、４４および第１球形レンズ７のうちの球形レンズ７１を例にして説明する。
発光ダイオード４１、４２、４３、４４は、同径・同サイズであり、図５に示すようにその中心が正四角形Ｂ（仮想線で表示）の頂点の位置にくるように配置されており、これら４個の発光ダイオード４１、４２、４３、４４の各肩部に第１球形レンズ７1が当接するようになっている。
【００３１】
第１球形レンズ７１の半径は、正四角形Ｂに内接する内接円の半径より小さく、また、正四角形Ｂの中心と各発光ダイオード４１、４２、４３、４４の周面で当該中心にもっとも近い位置との距離より大きい寸法である。
具体的に説明すると、発光ダイオード４は、その直径が３ｍｍで、Ｘ、Ｙ方向にそれぞれ４ｍｍ間隔で基板３に実装されている。第１球形レンズ７の半径は、１．８ｍｍで、正四角形Ｂに内接する内接円の半径２ｍｍより小さく、前記正四角形Ｂの中心と発光ダイオード４１、４２、４３、４４の周面でその中心にもっとも近い位置との距離１．３３ｍｍより大きい。
【００３２】
以上のようにすることにより、第１球形レンズ７１の下側球面の４点（この４点を結べば正方形となる）が、発光ダイオード４１、４２、４３、４４の内側の肩部に当接し、第１球形レンズ７１の中心が、正四角形Ｂの中心と一致する。他の発光ダイオード４と第１球形レンズ７もこのような位置関係になるので、第１球形レンズ７の全てが規則正しく位置決めされることになる。
【００３３】
このような関係は、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８との位置関係においても同じである。
図６は、第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置した状態を示す平面図であり、説明の便宜上本図でも樹脂材料９の図示は省略している。
第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の位置関係を、第１球形レンズ７のうちの球形レンズ７１、７２、７３、７４と第２球形レンズ８のうちの第２球形レンズ８１を例にして説明する。
【００３４】
第１球形レンズ７１、７２、７３、７４は、その中心が正四角形Ｃ（仮想線で表示）の各頂点となり、これら４個の第１球形レンズ７１、７２、７３、７４に第２球形レンズ８１が載置されている。
第２球形レンズ８１の直径は、正四角形Ｃに内接する円より小さく、対角上に対向する第１球形レンズ（７１と７３、又は７２と７４）の間隙の寸法より大きくなるように設定されており、本実施の形態では、第２球形レンズ８の直径は、３ｍｍで、第１球形レンズ７の直径と同じに設定される。
【００３５】
これにより第２球形レンズ８１の下側球面が第１球形レンズ７１、７２、７３、７４に規則正しく当接するため、第２球形レンズ８が規則正しく位置決めされて配列される。
以上のような積層構造にすることにより、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８が発光ダイオード４に対して規則正しく配列され、これにより各発光ダイオード４から射出される光を散乱する効果を均一にでき、色ムラの解消に資することができる。
【００３６】
第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８の材料は、透明なガラス材料或いは透明な合成樹脂材料が使用されている。第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８に合成樹脂材料を使用する場合は、耐熱性に優れたものが好ましい。これは、発光ダイオード４が発光時に発熱するためである。
なお、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の材質を互いに異なるようにしてもよく、例えば、第１球形レンズ７にガラス材料を、第２球形レンズ８に合成樹脂材料をそれぞれ使用してもよい。但し、樹脂材料９と屈折率の異なるものを使用することが望ましいことは既述の通りである。また、製造方法の観点から樹脂材料９よりも比重が大きくなければならない。
【００３７】
１−２．製造方法
図７は、基板３に配設された発光ダイオード４上に、上述のように第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を順に載置し、これらを固定するための樹脂材料９を形成するまでの製造工程の概略を示す断面図である。
ランプ筐体２の段部２ａに、発光ダイオード４が実装された基板３を装着した後、ランプ筐体２の開口部を上に向け、基板３が水平になるように保持する。図７（ａ）は、この基板３の一部のみを示している。なお、基板３上には配線路が形成されており、その配線路に電気的に接続した状態で発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂが実装されている。
【００３８】
次に、図７（ｂ）に示すように、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ上に第１球形レンズ７を載置する。つまり、正四角形状に隣合う４個の発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に、第１球形レンズ７が当接するように第１球形レンズ７を載置する（図５参照）。この時、各第１球形レンズ７は、正四角形状に配設された発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ間にある凹部にその球面の一部が入り込み、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接して位置決めされる。
【００３９】
そして、図７（ｃ）に示すように、隣合う第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置する。この時、第２球形レンズ８は、正四角形状に隣合う第１球形レンズ７間に生じた凹部にその球面の一部が入り込み、各第１球形レンズ７の上部に当接して位置決めされる（図６参照）。
最後に、不図示のノズルにより、ランプ筐体２の開口部から樹脂材料９を、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８の位置がずれないように静かに注入していく。この際、樹脂材料９の粘性が高いと第１球形レンズ７、第２球形レンズ８が押し流されてしまうので、適度の流動性が必要である。
【００４０】
注入された樹脂材料９は、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８、発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの各間の隙間を通って基板３表面に至り、徐々に嵩が増して第２球形レンズ８の全部が埋まったときに樹脂材料９の注入を停止する（図７（ｄ））。
この状態で樹脂材料９を硬化させる。例えば、樹脂材料９として熱硬化性のエポキシ樹脂を使用している場合には、これを加熱して硬化させる。これにより、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を発光ダイオード４に一体として固定させることができる。樹脂材料９は、ランプ筐体２の内周面にも及んでいるので、これと密着した状態で硬化しており、これにより既述のような放熱効果が得られる。
【００４１】
本実施の形態で説明した製造方法によれば、たとえ、発光ダイオード４の数が増減した場合であっても、使用する第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８の数を増減させればよいだけなので、仕様変更に容易に対応することができる。
また、発光ダイオード４は、直交する方向に等間隔をおいてマトリクス状に規則正しく配置され、また、複数の第１球形レンズ７の直径が略同一になっている。このため、発光ダイオード４上に載置された各第１球形レンズ７の中心間の間隔がそれぞれ同一になり、第１球形レンズ１を規則正しく配置することができる。
【００４２】
さらに、各第１球形レンズ７が規則正しく配置され、また複数の第２球形レンズ８の直径が同一になっているため、発光ダイオード４の中心線（基板３に対して鉛直方向）上に第２球形レンズ８の中心が存在する。
また、樹脂材料９は、その外周縁がランプ筐体２の周壁の内面に接しているので、発光ダイオード４の発光時に生じる熱は、樹脂材料９を介してランプ筐体２から放熱される。このため、発光ダイオード４を複数用いた、つまり発光ダイオード４を集積化して使用する場合でも、発光ダイオード４からの発熱による発光効率の低下や低寿命化を防ぐことができる。
【００４３】
１−３．試験結果
上記構成の照明装置において、色ムラがどの程度低減できたかを確認するために、株式会社トプコン製の輝度計「ＢＭ−７」（商品名）を使用して照射面の色度分布の測定を行った。本試験は、上記のように所定の順序で基板３に凸設された発光ダイオード４の上に、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とを配した照明装置（以下、「発明品」という。）と、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の双方を有していない照明装置（以下、「非発明品」という。）とを比較してなされた。
【００４４】
図８は、上記の発明品と非発明品のそれぞれについて、光源から一定の距離をおいて配された照射面における色度分布を測定した結果を示すグラフである。ここでは、色度ｘ、ｙの最大値と最小値との差を色ムラとし、それぞれΔｘ、Δｙとして表している。
同グラフに示すように、本発明のように球形レンズを有する場合には、Δｘ、Δｙはそれぞれ０．１５９、０．１４４であるのに対し、球形レンズを配していない非発明品の場合には、Δｘ、Δｙは０．５１６、０．５３２となった。
この結果から明らかなように、球形レンズを配した発明品の場合、球形レンズを配しなかった非発明の場合に比べて、色ムラを約７１％低減させることができる。
【００４５】
このように本発明品により色ムラが大幅に解消されたのは、上記第１球形レンズ７、第２球形レンズ８により発光ダイオード４から発せられた光が、十分散乱された結果であると言える。
図９は、発光ダイオード４から発せられる光が、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８により散乱される様子を模式的に示す図である。同図において破線は第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配していない場合の光路の例を示し、実線は、第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配している場合の光路の例を示している。
【００４６】
この図から明らかなように、第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を配した場合、発光ダイオード４から発せられた光の一部は、第１球形レンズ７で反射し、また第１球形レンズ７から出射した光は、第２球形レンズ８で反射したり、第２球形レンズ８から出射する際に屈折したりして散乱される。このように、第１、第２球形レンズ７、８を配することにより、各発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂから発せられた光は充分散乱して互いに混ざるため、色ムラをなくすることができる。なお、発光ダイオードの発光色が単一色である場合も同様に、発光ダイオードから発せられた光は散乱するので、輝度ムラを削減することができる。
【００４７】
（変形例）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明の内容が、上記実施の形態に示された具体例に限定されないことは勿論であり、例えば以下のような変形例を実施することができる。
（１）上記の実施の形態においては、球形レンズを２層形成したが、１層にしても色ムラ解消の効果はある程度得られる。
【００４８】
図１０は、この場合における照明装置の発光ダイオード４周辺の断面を示す図である。同図に示すように本変形例では、第１球形レンズ７（以下、本変形例において単に「球形レンズ７」という。）を発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接した状態で配したものである。
このような照明装置において、色ムラがどの程度低減できたかを確認するために、上記実施の形態と同様に照射面の色度分布の測定を行った。試験に用いた照明装置は、発光ダイオード４の肩部に球形レンズ７を配した照明装置と、球形レンズ７を配していない照明装置とである。
【００４９】
球形レンズ７を配している場合は、Δｘ、Δｙはそれぞれ０．２０３、０．２１０であるのに対して、球形レンズ７を配していない場合は、Δｘ、Δｙは０．５１６、０．５３２であった。この結果から明らかなように、球形レンズ７を配した本実施の形態では、球形レンズ７を配していない場合に比べて、色ムラが約６０％低減させることができる。
【００５０】
（２）上記の実施の形態では、光屈折体として、球形状の第１球形レンズ７及び第２球形レンズ８を使用しているが、例えば、図１１に示すような、基板３と平行な軸心を有する円柱レンズ１３、１４を用いてもよい。この場合、円柱レンズ１３、１４が隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの肩部に当接するには、円柱レンズ１３、１４の直径が、隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂの中心間距離（ピッチ）より小さく、また隣合う発光ダイオード４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ間の隙間寸法より大きければよい。
【００５１】
（３）上記の実施の形態では、発光ダイオード４のプラスチックレンズ６は、その外形が砲弾型のものを使用しているが、他の形状、例えば円柱形状、円錐形状、四角柱形状、多角柱形状等であっても、実現可能である。また、発光ダイオード４として、例えばＳＭＤ（Surface Mount Device 表面実装）型のものを使用しても良い。
【００５２】
（４）光散乱用のレンズとして、円柱レンズと球形レンズを組み合わせて用いてもよい。例えば、１層目を球形レンズで構成し、２層目を円柱レンズで構成してもよい。
（５）上記の実施の形態では、図５において、４個の発光ダイオード４1、４２、４３、４４の位置が、正四角形Ｂの頂点位置となるように配設されているが、他の正多角形でも、同様に実施することができる。図１２は、６個の発光ダイオード４の各中心位置が正六角形Ｅの頂点位置になるように配置した発光ダイオード４上に、第１球形レンズ７を載置させた状態を示す平面図である。
【００５３】
同図に示すように、６個の発光ダイオード４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６は、仮想線で示す正六角形Ｅの頂点位置に配設されている。第１球形レンズ７１の半径は、正六角形Ｅに内接する内接円の半径より小さく、また、正六角形状の中心と各発光ダイオード４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６における前記中心にもっとも近い位置との距離より大きければ、第１球形レンズ７は発光ダイオード４の肩部に当接できる。
【００５４】
図１３は、第１球形レンズ７上に第２球形レンズ８を載置した状態を示す平面図である。第２球形レンズ８１は、３個の第１球形レンズ７１、７２、７３の上部に当接した状態で配されている。なお、第２球形レンズ８１の中心は、図１２の発光ダイオード４０２の中心線上にある。また、第２球形レンズ８の直径は、隣合う第１球形レンズ７に跨って載置でき、隣合う発光ダイオード４の中心間距離より小さければよい。
【００５５】
（６）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７、第２球形レンズ８を固定するために、発光ダイオード４、第１、２球形レンズ７、８の全てが埋まるように樹脂材料９を流し込んで固着させたが、第１、２球形レンズ７、８及び発光ダイオード４の互いに当接する部分を接着剤により固定するようにしてもよい。
また、上記以外の保持手段を用いてもよい。このような保持手段としては、透明な板を、最上層の第２球形レンズ８の上側に当接させ、これで第２球形レンズ８、第１球形レンズ７を基板３側に押圧するようにしてランプ筐体２に固定するようにすることも可能である。
【００５６】
（７）上記の実施の形態では、発光ダイオード４上に第１の層として第１球形レンズ７を、第１球形レンズ７上に第２の層として第２球形レンズ８を配しているが、第２球形レンズ８上に１以上の層を設けてもよい。この場合においても各層の複数の球形レンズは、その下層の隣合う球形レンズの上部に当接する状態で積層配置される。
【００５７】
なお、層を多くすると照明装置１から出射する光の色ムラ、輝度ムラは減少するが、逆に光出力が低下するので、本実施の形態のように２層にするのが妥当であろう。
（８）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８の直径を同一としているが、第１球形レンズ７と第２球形レンズ８とで異なるようにしてもよい。また、複数の層状に配置する場合は、各層内の球形レンズの直径が同一であればよく、層ごとで球形レンズの直径が異なるようにしてもよい。
【００５８】
（９）上記の実施の形態では、発光色が異なる発光ダイオード４を３種類用いているが、発光色が１種類の発光ダイオード４を複数個用いてもよい。
（１０）上記の実施の形態では、第１球形レンズ７及び円柱レンズ１３は隣合う発光ダイオード４に、また第２球形レンズ８及び円柱レンズ１４は下層の隣合うレンズ８、１４にそれぞれ当接して配されているが、各レンズの加工精度、発光ダイオード４の実装位置の精度を考慮すると、各レンズは隣合う発光ダイオード４又は下層の隣合うレンズ８，１４すべてに当接しない場合がある。しかしながら、レンズは、発光ダイオード４又は下層のレンズ８、１４に少なくとも３箇所で当接しておれば、他の発光ダイオード４又は下層のレンズ８、１４に近接していても、レンズの載置状態は保持されるので、上記の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る照明装置は、基板上に複数の発光素子が設けられ、前記発光素子の上に複数の光屈折体が、隣合う発光素子の肩部に当接又は近接してそれぞれ配されている。
このため、輝度ムラや色ムラを低減させることができ、しかも仕様変更、例えば発光素子の数が増減するような仕様変更があっても、発光素子上に載置される光屈折体の数を増減すれば容易に対応することができる。
【００６０】
また、複数の発光素子を備えた照明装置の製造方法であって、基板の一方の面上に複数の発光素子を実装する第１の工程と、前記複数の発光素子上に、複数の第１球形レンズを、それぞれが隣合う発光素子の肩部に当接する状態で配設する第２の工程と、複数の第２球形レンズを、それぞれが隣合う前記第１球形レンズに当接する状態で配設する第３の工程とを含んでいる。このため、仕様変更、例えば発光素子の数が増減するような仕様変更があっても、発光素子上に載置される光屈折体の数を増減すれば容易に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における照明装置の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における照明装置の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における照明装置の縦断面図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線の中央部における拡大断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における第１球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態における第２球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態における照明装置の製造工程の概略を説明する説明図である。
【図８】本発明の実施の形態における色度分布を測定した結果を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態における光の散乱状態を説明する説明図である。
【図１０】本発明の変形例（１）における要部の拡大断面図である。
【図１１】光屈折体として円柱レンズを使用した場合の要部の斜視図である。
【図１２】発光ダイオードを正六角形状に配置し、この発光ダイオード上に第１球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【図１３】発光ダイオードを正六角形状に配置し、第１球形レンズ上に第２球形レンズを載置した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
２ ランプ筐体
３ 基板
４ 発光ダイオード
７ 第１球形レンズ
８ 第２球形レンズ
９ 樹脂材料
１０ 点灯回路
１１ 口金
Claims (14)
- 基板上に複数の発光素子が設けられ、前記の隣合う複数の発光素子は、正多角形の各頂点の位置に配設されており、前記発光素子の上に複数の球形の光屈折体が前記正多角形に配設された複数の発光素子の内側の肩部に当接又は近接してそれぞれ配されていることを特徴とする照明装置。
- 基板上に複数の発光素子が設けられ、前記の隣合う複数の発光素子は、平行な列状に配 設されており、前記発光素子の上に、前記基板に略平行な軸心を有する円柱形である複数の光屈折体が、隣合う列における各発光素子の向い合う肩部に当接又は近接してそれぞれ配されていることを特徴とする照明装置。
- 前記複数の光屈折体における径が略同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
- 前記複数の光屈折体を第１の層とし、その上に第２の層として別の複数の光屈折体が、それぞれ、前記第１の層における隣合う光屈折体に当接又は近接して、積層配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
- 前記複数の光屈折体は、前記複数の発光素子との間隙に流入された樹脂材料によって前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
- 前記第１と第２の層における複数の光屈折体間および第１の層における複数の光屈折体と前記複数の発光素子間の間隙に流入された樹脂材料により、当該第１および第２の層における複数の光屈折体が、前記複数の発光素子に固定されていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
- 前記複数の光屈折体と前記樹脂材料の内、少なくとも一方に光散乱用の粉末が含まれていることを特徴とする請求項５又は６に記載の照明装置。
- 前記発光素子から発せられた光を特定方向に照射するための笠部材を備え、前記基板は前記発光素子が設けられた面を笠部材の開口部に向けた状態で前記笠部材の内部に装着されると共に、前記樹脂材料は、前記基板と前記笠部材内周面に囲まれた空間に、少なくともその表面層における複数の光屈折体の一部が埋まるように充填されていることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の照明装置。
- 前記笠部材の材料は、樹脂材料、セラミック材料、あるいは金属材料のいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
- 前記複数の発光素子は発光色が異なる複数種類の発光ダイオードであって、発光色が異なる発光ダイオードが互いに隣合うようにして前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の照明装置。
- 前記複数の発光素子を点灯させる点灯回路を備えたことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の照明装置。
- 前記点灯回路に給電するための給電用口金を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の照明装置。
- 複数の発光素子を備えた照明装置の製造方法であって、基板の一方の面上に複数の発光素子を実装する第１の工程と、前記複数の発光素子上に複数の第１球形レンズをそれぞれが隣り合う発光素子の肩部に当接する状態で配設する第２の工程と、複数の第２球形レンズを、それぞれ隣合う前記第１球形レンズに当設する状態で配設する第３の工程とを含むことを特徴とする照明装置の製造方法。
- 前記第３の工程の後に、第１、第２球形レンズおよび発光素子間の間隙に樹脂材料を流入させて、第１、第２球形レンズを固定する第４の工程を含むことを特徴とする請求項１３に記載の照明装置の製造方法。
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