JP4152025B2 - 線状光源ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は相当な長さにわたって直線状のほぼ均一な照明光を得るための線状発光ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばイメージセンサにおいては、電子機器に入力すべき文字や画像を有する原稿の表面を直線状に照明しつつ原稿を直線に垂直な方向に移動して画面を走査し、画面を１ラインづつレンズアレイを用いて受光素子アレイ上に結像させて明暗信号として読み取る。そこで画像の結像に必要な比較的狭い幅で、かつ原稿の幅をカバーする長さの直線状の領域のみを明るく照明するための装置として線状発光ユニットが用いられている。
【０００３】
従来の線状発光ユニットの構造は多種類ある。例えば、棒状の蛍光灯と円筒形の反射鏡を用いて線状に集光させる構造、また複数個のＬＥＤを光源とし、それらを等間隔に直線上に並べて各自の近傍を分担して照明させる方法もある。小型化、制御のし易さ等からＬＥＤがよく用いられるが、多数のＬＥＤを用いる方法はコストがかかること、光の利用率が低いこと、明るさの不均等や３色ＬＥＤの場合場所による色ムラが出やすい等の問題点があった。
【０００４】
この問題点を解決する手法も提案されている。特願平１０−９８１２４号に開示された技術は、長尺状の導光部材の中央下部の１か所に単一の光源であるＬＥＤを配置して上向きに発光させ、その入射光を一旦左右方向に分割反射させて導光部材内部で長手方向に進行させ、導光部材下面で上方に反射させて上面のほぼ全域を光出射面としたものである。この構造によると、ＬＥＤは１個のみを用いるので複数光源に起因する光度ムラがなく、また導光部材の上面以外の全ての面からの射出光を例えば反射材で囲って逃がさず有効利用することができ、低コスト化も可能であるという長所がある。
【０００５】
図３は前項で述べた従来例の線状光源装置の図面であり、特願平１０−９８１２４号の図面より要部を引用した。（ａ）は導光部材の長手方向の正面図、（ｂ）は導光部材の中央横断面図である。３１は透明な材質より成る導光部材、３３は光源となるＬＥＤ発光素子、３２は該素子を実装したＬＥＤ基板で、導光部材３１の下面中央部に固着されている。ＬＥＤ発光素子３３の上面からの光は導光部材３１の下部の光入射部３４から導光部材内に入射する。
【０００６】
導光部材２０は（ｂ）図のようにほぼ矩形の断面を持つ棒状をなし、下面中央より入射したＬＥＤの光は上方に進み、導光部材を貫通して設けたほぼ三角形の穴３５の左右の両斜面３５ａで反射され、導光部材内を左右方向に進み、その下面３１ａの各部分で反射されて中央から様々な距離にある上面３１ｂに達する。上面３１ｂは粗面化された光射出面であり、ここに達した光はほぼ均等に分散されて線状照明光源となる。
【０００７】
なお２つの斜面３５ａは２つの放物面（筒状かつ鏡面仕上げされた放物面）を組み合わせたもので、各放物面の焦点はＬＥＤ発光素子の発光部にほぼ一致させてある。また素子からの光３６の斜面３５ａにおける内面反射は、導光板材質の屈折率を考慮して全反射するべく設定されている。このため光の左右方向への反射は損失なく完全に行われる。しかしその場合穴３５の上部に光が来なくなり、線状照明光が部分的に暗くなる。この事態を避けるため、２つの放物面の接合部に狭い平面部３５ｂを設け、この部分は光３６を上面３１ｂまで到達させ、発光部分を作っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この従来例（図３）においては、導光部材内部の左右長手方向に進行する光を順次上方に反射させるために、導光部材の下面は左右が上方に向かう傾斜した曲面になっている。即ち内部光束の有効利用のみを考慮した形状であるため、この線状光源装置をイメージセンサ等の機器内部に装着する場合、導光部材が基準を決めやすい直方体等の形状をしていないので機器内部での正確な位置決めが難しく、また固定も容易とは言えなかった。
【０００９】
また上記従来例においては、入射光を左右に分けるＶ字型の反射面が２つの筒状面で構成されているため、そこで光は完全に左右方向にのみ反射されず、導光部材の厚み方向に振れる成分をかなり有する。従って反射光は２つの側面３１ｃ、３１ｄの内面に反射されつつ端面に向けて導光部材中を進行する。両側面でも光は必ずしも全反射されるとは限らず、導光部材の外に漏れる光もある。導光部材の外側（上面を除く）を反射板で包むこともできるが、光の全部は戻らず損失を伴う。
【００１０】
本発明の目的は、導光部材の１か所にＬＥＤ光源を配置してその全光束を有効利用すると共に、それを適用する機器内における位置決めあるいは固定を容易にした線状光源ユニットを提供することである。
【００１１】
また本発明の他の目的は、光源からの光を効率よく左右に分けてかつ利用する形状の反射面を備えた導光部材を有する線状光源ユニットを提供することである。
【００１２】
また本発明の更に他の目的は、光源を導光部材の内部反射面に対して正確に位置決めする手段を備えた導光部材を有する線状光源ユニットを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の戦場光源ユニットの構成においては次の特徴を備える。
（１）ほぼ直方体の外形をなし細長い４つの面即ち上面、下面、正面、背面と２つの側面である端面とを有し、正面と背面の間隔を厚さとする導光部材と光源となるＬＥＤ発光素子とを含み、前記導光部材はその内部に第１反射部と第２反射部を有し、前記第１反射部は前記導光部材の長手方向のほぼ中央部に位置して下方光源に面した光入射部からの入射光を両端面方向に反射する曲面を備え、該曲面は、前記光源の近傍に焦点を有する２つの回転放物面の一部を焦点の位置で回転放物面の回転軸に垂直な平面で切断してその頂点側の全部と頂点側にない下半分を取除いて頂点側にない上半分を残し、残った２つの上半分を左右に開くように接合した概形を有し、前記第２反射部は概形が光入射部付近では前記下面に近づき両端面付近では前記上面に近づくような曲面あるいは斜面をなし、前記両端面方向に反射された光を一部分ずつ前記上面即ち光射出面に向けて散乱しつつ反射する多数の小反射面が前記曲面あるいは斜面に沿って配置されており、前記光入射部は前記第１反射面の下方に設けられ、かつ前記ＬＥＤ発光素子は前記光入射部に面して上向きに配置されていること。
【００１４】
また本発明の線状光源ユニットの構成においては下記の諸特徴のうち少なくとも１つを更に備えることがある。
（２）前記第２反射部の多数の小反射面は、前記曲面あるいは斜面に沿って配置され、前記厚さを貫通する多数の小穴から成っていること。
【００１５】
（３）前記第２反射部の小反射面は、前記導光部材の端部に近い部分ほど、その散乱性の面積あるいは密度が増加するように配置されていること。
【００１６】
（４）前記下面の上部には窓部があって該窓部の天井は前記曲面あるいは斜面になっており、前記第２反射部の乱反射面は前記窓部の天井の下面に加工されていること。
【００１７】
（５）前記導光部材の上面および前記光入射部を除き、また少なくとも前記曲面あるいは斜面の上部が光反射部材で覆われていること。
【００１８】
（６）前記導光部材の上面および前記光入射部を除き、また少なくとも前記曲面あるいは斜面の上部および前記窓部の天井の下面が光反射部材で覆われていること。
【００２０】
（７）前記導光部材内の前記第１反射部の上部に、前記第１反射部の反射面を上方に通過する直接光を減少させるための減衰手段を設けたこと。
【００２１】
（８）前記ＬＥＤ発光素子はＬＥＤ基板上の所定の位置に実装されており、該ＬＥＤ基板には穴が設けられ、前記導光部材にはピンが一体的に設けられ、該ピンと前記穴とが嵌合することによって、前記ＬＥＤ発光素子が前記第１反射部に対して位置決めされること。
【００２２】
（９）前記ＬＥＤ発光素子として、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のＬＥＤ発光素子を近接して前記ＬＥＤ基板に実装したものを用いること。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＹ−Ｙ断面図、（ｄ）はＺ−Ｚ断面図、（ｅ）は側面図である。１は透明な樹脂材料を射出成形して作られた導光部材であり、外形はほぼ直方体であり、光入射部１１を有する下面１２、線状照明光の射出部である上面１３、正面と背面１４、左右の端面１５を備える。２は照明用光源となるＬＥＤ発光素子であり、３はそれを搭載したＬＥＤ基板で、導光部材の下面１１に埋め込まれている。
【００２４】
光入射部１１はドーム状をなして下面１２の中央部、ＬＥＤ基板用の凹部に更に彫り込まれ、ＬＥＤ発光素子２はその内部に入り込み、その発光面（上面）がほぼドームの中央に位置して光線がドーム面からほぼ垂直に、少ない散乱で導光部材内に入射できるように配慮されている。１６は第１反射部で、２つの回転放物面の一部を焦点の位置で切断し、その上半分を左右に開くように接合したような概形を有し、導光部材１の正面と背面から型成形され鏡面仕上げされている。ＬＥＤ発光素子２はその接合部の直下のほぼ焦点に近い位置のあるため、下方から第１反射部１６の放物反射面に当たった光は左右方向に別れて反射され、両端面１５へ向けて導光部材１の内部を進行する。
【００２５】
１７は第２反射部で、導光部材１の正・背面１４を貫通して設けられ、１つの曲面上に多数配列された小穴群によって構成されている。その曲面の概形は導光部材中央の光入射部１１付近では下面１２に近づき両端面付近では上面１３に近づくような曲面あるいは斜面をなしている。従って導光部材１の内部を左右に進行して来た光は、その一部づつが異なる位置にある小穴の表面に当たり、小穴の表面が湾曲しているため図示のように種々な角度に反射され、散乱的ではあるが概ね上方に向かい、上面１３より射出し、上方やや離れた距離にある線状（細長い矩形状）の領域をほぼ均等に照明することになる。小穴は円筒形とは限られない。適用機器の筐体等の図示は省略する。
【００２６】
なお、第１反射部１６の反射曲面は、ＬＥＤ発光素子からの光の入射方向に対して必ずしも全反射条件を満たしていない場合がある。その場合、入射光の一部が反射面を通過して上方に第２反射部で反射されない直接光として射出される。これが強すぎると照明ムラとなるので、第１反射部の直上に長穴１８を設け、図示のように一部を表面反射させて下方に戻すかあるいは吸収させ、直接光の減衰を図っている。
【００２７】
また導光部材１の内部を進行する光は、光学系がさほど高精度ではないため（散乱により光強度の均等化を図るため故意にそうしている）、そのかなりの部分が正面や背面１４、端面１５等、あるいは第２反射部１７の小穴の間隙をすり抜けたり小穴の面を屈折透過したりして下面１２から導光部材１の外部に漏出し得る。漏出光はそのままでは照明に利用されないでロスになるので、導光部材１の正・背面１４、端面１５、下面１２（光入射部１１は除く）の表面に反射部材としてアルミニウム等の金属蒸着、またはＰＥＴなど反射率のよい白色シート等を施して漏出光を反射させ内部に戻す場合がある。また上面１３の両縁にも蒸着膜を施して線状の光射出面の幅を狭めることもある。また第１反射部１６や長穴１８にも正面・背面から適量の物質の蒸着を行い、反射率や透過率を制御することがある。これら蒸着膜は図示しない。また各面の粗さも適宜設定される。
【００２８】
線状光源ユニットを搭載する機器内における本実施の形態の導光部材１の位置決めや固定構造については、導光部材がほぼ直方体をなし、各面が直交しているので、極めて正確に位置決めでき、また例えば導光部材の光進路を外れた部分に取り付け穴を設けるなどすれば、固定も容易である。これは光反射部材が蒸着皮膜でなく、反射性の薄板を密着させて導光部材を包み、この薄板を介して導光部材の位置決めをするような構成においても導光部材の規則性の高い形状（直方体等）によって同様な効果が得られることは自明である。
【００２９】
また、本実施の形態においては、第１反射面が回転放物面であるため、焦点に対するＬＥＤ発光素子の正確な位置決めが必要である。ＬＥＤ基板３に対するＬＥＤ発光素子２の実装位置は精度が出せるので、結局導光部材１に対するＬＥＤ基板３の位置決め手段を設ければ目的を達する。図１においては導光部材１の下面にＬＥＤ基板が丁度入る凹部を設けてこの位置決め作用を達成している。他の手段としては、例えば導光部材の下面に複数のピンを突起させ（導光部材と同じ材質で一体成形すればよい）、これをＬＥＤ基板に設けた穴に嵌合させてもよい。また２本の突起を設け、その一方を他方より太くし、それらに対応する基板の穴径にも大小を設ければ、基板の向きを誤ることなく正しく位置決めすることができる。
【００３０】
図２は本発明の第２の実施の形態である線状光源ユニットを示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は側面図である。導光部材の形状は概ね直方体であることは第１の実施の形態と共通である。第１の実施の形態との主な差異は２点で、まず光入射部の小規模な差異、次に大きな差異として第２反射部の構成がある。目的を同じくする部品およびその部分には第１の実施の形態と同じ記号を付して、共通点については改めて説明しないことにする。
【００３１】
光入射部１１は本実施の形態ではドーム形状でなく単なる平面とし、ＬＥＤ発光素子２はその直下に近接して配置される。放物面の内部に入り込めるドーム形状の場合と異なり、ＬＥＤの発光面を第１反射部の放物面が完全に囲むことができないが、反射面の形状を多少補正すれば第１の実施の形態と近い結果が得られる。もちろん光入射部１１をドーム形状としてＬＥＤを配置してもよい。
【００３２】
第２反射部は、導光部材１に窓１９を設け、その窓の天井部を両端が上方に湾曲した曲面とし、その面に多数の半円筒状の凹面を多数設けて、第１の実施の形態と同様に照度の均等化のための光の散乱を伴う、上方の光射出面へ向けての光反射を図っている。なおＬＥＤ発光素子２を光入射部１１に近づけるため、ＬＥＤ基板３は窓１９内に位置づけられている。また第２反射面からの漏光防止のための光反射膜（図示せず）の蒸着あるいは白色反射シート（図示せず）等の貼付は窓１９の天井部に行うことが好ましい。
【００３３】
導光部材１の窓１９より下の枠状部分は、図示のようにＬＥＤ基板３の位置決めを行うために、あるいは図示しないが位置決め穴やピンや取付け穴等を設けて適用機器内での導光部材１の位置決めや固定等、導光作用以外の役割・作用を行わせることができる。
【００３４】
以上２つの実施の形態について説明したが、更に幾つかの変形の可能性について述べておく。例えば多色照明のためＬＥＤ発光素子を１個ではなく、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色（３個）用いたい場合がある。その場合ＬＥＤを近接配置しても、第１反射部の放物面の焦点に位置できるのは厳密には１個だけで、他の２個は焦点外れとなり光の利用効率に差が生じる。これを避けるには放物面の形状を崩して他の曲面としたり、部分曲面や平面の集合で構成したりすることによって各色の反射作用の平均化を図ることができる。
【００３５】
また第２反射部は非散乱性の平滑な反射面と散乱性の反射面（半円筒状の面）とを混在させているが、その比率は任意であり、例えば全面を乱反射的な面とすることもできるし、異なる乱反射性の小面を混在させてもよく、反射の性質を場所の関数として変えてもよい。また乱反射面も円筒状には限定されない。例えば細かい鋸歯状面や不規則な面であってもよい。
【００３６】
また線状光源ユニットの発光強度を、その長手方向に対して一様にするため、第２反射部における散乱性の反射面の配置密度を、中央部（第１反射部）からの距離に応じて変化させる場合がある。例えば第１の実施の形態では第２反射部を形成する小穴群の直径を端に行くほど大きくしたり、端部近くにおいては配置密度を増したり２列にしたりすれば、端部近くにおける光量現象の傾向を補正することができる。また第２の実施の形態における半円筒状の反射面についても同様であるし、また場所により面の散乱性の程度を変えてもよい。（例えば鋸歯状面の角度を変えたり、第２反射面自体の曲面形状を変更する。）
【００３７】
また直接光の減衰手段は上記のような単なる長穴に限定されない。例えば導光部材の上面に半透過性の蒸着膜を形成してもよいし、部分的に小穴状、あるいは網状の光透過部分を散布させた反射性の蒸着膜を施してもよい。また逆に直接光を増加する必要のある場合は、第１反射部の放物面に例えば細かい凹凸を設けて部分的に全反射条件の崩れた部分を作り、あるいは放物面に外から被せた反射部材に小穴を設けて、その部分の透過光を増してもよい。
【００３８】
また導光部材の外形形状も、厳密な直方体ではなくても位置決めに使用される部分が直方体を基調とした形状であればよく、位置決めの容易化に支障のない限り、更に斜面や曲面が部分的にあってもよい。この他にも、本発明には様々な実施の形態があり得る。
【発明の効果】
【００３９】
（１）本発明においては、導光部材をほぼ直方体の形状としたので、導光部材の位置決めが容易かつ正確にできるようになった。
【００４０】
（２）第１反射部に反射面に放物面あるいはその近似面を用いた場合、単なる平面を組み合わせた反射面よりも光の利用効率が向上する。
【００４１】
（３）第１反射部の上部に直接光減衰手段を設けることにより、照明光度の均一性を向上させることができる。
【００４２】
（４）導光部材にＬＥＤ基板の位置決め手段を設けることにより、第１反射部に対する光源位置の精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＹ−Ｙ断面図、（ｄ）はＺ−Ｚ断面図、（ｅ）は側面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はは側面図である。
【図３】従来例の線状光源装置の図面であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）は導光部材の中央横断面図である。
【符号の説明】
１ 導光部材
１１ 光入射部
１２ 下面
１３ 上面
１４ 正面・背面
１５ 端面
１６ 第１反射部
１７ 第２反射部
１８ 長穴
１９ 窓
２ ＬＥＤ発光素子
３ ＬＥＤ基板
３１ 導光部材
３１ａ 下面
３１ｂ 上面
３１ｃ 側面
３１ｄ 側面
３２ ＬＥＤ基板
３３ ＬＥＤ発光素子
３４ 光入射部
３５ 穴
３５ａ 斜面
３５ｂ 斜面

Claims (9)

1. ほぼ直方体の外形をなし細長い４つの面即ち上面、下面、正面、背面と２つの側面である端面とを有し、正面と背面の間隔を厚さとする導光部材と光源となるＬＥＤ発光素子とを含み、前記導光部材はその内部に第１反射部と第２反射部を有し、前記第１反射部は前記導光部材の長手方向のほぼ中央部に位置して下方光源に面した光入射部からの入射光を両端面方向に反射する曲面を備え、該曲面は、前記光源の近傍に焦点を有する２つの回転放物面の一部を焦点の位置で回転放物面の回転軸に垂直な平面で切断してその頂点側の全部と頂点側にない下半分を取除いて頂点側にない上半分を残し、残った２つの上半分を左右に開くように接合した概形を有し、前記第２反射部は概形が光入射部付近では前記下面に近づき両端面付近では前記上面に近づくような曲面あるいは斜面をなし、前記両端面方向に反射された光を一部分ずつ前記上面即ち光射出面に向けて散乱しつつ反射する多数の小反射面が前記曲面あるいは斜面に沿って配置されており、前記光入射部は前記第１反射面の下方に設けられ、かつ前記ＬＥＤ発光素子は前記光入射部に面して上向きに配置されていることを特徴とする線状光源ユニット。
2. 前記第２反射部の多数の小反射面は、前記曲面あるいは斜面に沿って配置され、前記厚さを貫通する多数の小穴から成っていることを特徴とする請求項１の線状光源ユニット。
3. 前記第２反射部の小反射面は、前記導光部材の端部に近い部分ほど、その散乱性の面積あるいは密度が増加するように配置されていることを特徴とする請求項１あるいは２の線状光源ユニット。
4. 前記下面の上部には窓部があって該窓部の天井は前記曲面あるいは斜面になっており、前記第２反射部の小反射面は前記窓部の天井の下面に加工されていることを特徴とする請求項１の線状光源ユニット。
5. 前記導光部材の上面および前記光入射部を除く全部あるいは一部が光反射部材で覆われていることを特徴とする請求項１ないし３の線状光源ユニット。
6. 前記導光部材の上面および前記光入射部を除き、前記窓部の天井の下面が光反射部材で覆われていることを特徴とする請求項４の線状光源ユニット。
7. 前記導光部材内の前記第１反射部の上部に、前記第１反射部の反射面を上方に通過する直接光を減少させるための減衰手段を設けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの線状光源ユニット。
8. 前記ＬＥＤ発光素子はＬＥＤ基板上の所定の位置に実装されており、該ＬＥＤ基板には穴が設けられ、前記導光部材にはピンが一体的に設けられ、該ピンと前記穴とが嵌合することによって、前記ＬＥＤ発光素子が前記第１反射部に対して位置決めされることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかの線状光源ユニット。
9. 前記ＬＥＤ発光素子として、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色のＬＥＤ発光素子を近接して前記ＬＥＤ基板に実装したものを用いることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかの線状光源ユニット。

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