JP4360945B2 - 照明装置 - Google Patents

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Description

本発明はＬＥＤ発光素子と集光レンズを組み合わせた照明装置に関する。
従来、ＣＤやＤＶＤの読み書きあるいはその他の大小様々なの光学応用機器のバックラ
イト等に用いる照明用の光源、あるいは外部から見える場所に配置される光源があるが、
それらの多くは発光体のＬＥＤ発光素子やランプを備えた支持体にレンズを組み合わせ、
るいはレンズを支持体と一体成形し、発光源であるＬＥＤ素子等の光に所定の集光特性を
与えて所定の対象あるいは範囲を明るく照明するための照明装置としていた。そのような
照明装置の従来例について述べる。
図１０は第１の従来例である半球状の透明体より成り、通常レンズ面１ｂを持つレンズ
１を用いた照明装置の断面図である。４は光源となるチップ状のＬＥＤで、その発光面（
通常は上端面）はほぼレンズ１の焦点の付近かあるいは適宜に離れた位置に置く。ＬＥＤ
４はＬＥＤ基板３上に実装され、ボンディングワイヤ７を導線として発光用の電力を供給
される。ＬＥＤ基板３上の配線や外部との接続用端子については図示を省略する。枠状の
支持体６はレンズ１とＬＥＤ基板３とを支持し、レンズ１とＬＥＤ４とを、最も照明効果
の高い所定の位置関係を保つように支持し固定している。
図１０のようにレンズ１に半球形状のものを用いると、照明装置の総厚が増し、小型化
の指向に反する。そこでレンズ１として薄型化の可能なフレネルレンズを用いることもよ
く行われている。フレネルレンズ（屈折型）とは、厚さのある通常レンズを光軸に垂直な
面でほぼ一定の厚さで多数枚にスライスし、スライスされた各素板からレンズ作用をしな
い円筒状部分を除去して元のレンズ面と近い斜面を持つ、断面が直角三角形状の多数のリ
ング状プリズム体とし（中央部のみは球状面を維持する）、これらを光軸方向に圧縮して
平板上に並べた如き形状を呈するレンズである。
このような凸レンズと同等な作用を有するフレネルレンズにおいて、全面の厚さを最小
にするためリング状プリズムの高さをほぼ等しくすると、レンズの外周部になるほど斜面
が立ってプリズムの頂角が鋭角化し、隣り合うプリズムの半径方向の間隔も急激に狭くな
る。故に通常樹脂材料より成るフレネルレンズを直接切削にて形成するにせよ、あるいは
成形用金型を製作するにせよ、外周部においては加工が極めて困難となりやすい。
また発光素子が光軸上にあるとき、外周部では光束はプリズムの底面に対して斜めに入
射するようになり、プリズムの斜面は一部（下部）のみしか利用できなくなり、利用効率
が低下する。これらの事情により、集光作用上好ましい大口径の（焦点距離に対するレン
ズ外径の比率が大きく、外周部でのプリズム斜面が立っている）フレネルレンズは製造し
難く、性能も通常レンズよりも劣ることになる。
ところで他の問題点がある。ＬＥＤ４をその自然な発光色のままで使用する場合は図１
０の構成でよいが、ＬＥＤ４の発光色と異なる光源色としたい場合がある。例えば青色に
発光するＬＥＤを用いて白色の光源を得ようとするとき、ＬＥＤ４を封入している透明な
封止樹脂５にＹＡＧ蛍光体を混入した材料を用いることにより、青色のＬＥＤ４の発光に
より蛍光体を励起して長波長の光を発光させ両者の混色によって総合的に白色の発光を得
ている。
しかるに照明装置が発光していないとき外部からこの光源を見ると、透明なレンズ１越
しに封止樹脂５が見えるが、これに蛍光体を含むため外光を受けて黄色っぽく見える。こ
れは照明装置の外観（品位）を損なうとされている。この欠点を改善するため、第２の従
来例として図９の断面図に示すように、ＬＥＤ４の前面に、レンズ１のかわりに光拡散板
８を置く。光拡散板８は外光を散乱して白色を呈し、背後の黄色い封止樹脂５を隠してほ
とんど目立たなくさせる効果がある。しかしこの構造ではＬＥＤ４からの発光もまた散乱
されるため、レンズを用いても集光することができないか、あるいは不完全となる。
本発明は、非発光時に照明装置の内部色あるいは構造を全くあるいはほとんど見えなく
することができ、外観品位を高く保ち、しかもレンズによる集光作用を損なわない照明装
置を提供することを主たる目的とする。またそれに加えて、照明装置の厚さが薄く、大口
径であってもレンズの加工が容易である照明装置の構成を提供することを從たる目的とす
る。またレンズ特性や集光性能における自由度を増した照明装置の構成を提供することを
更なる從たる目的とする。
本発明の照明装置は、以下の（１）から（３）の特徴のいずれかを備える。
（１）支持体の内部に発光源としてＬＥＤを支持し、前記支持体は前記ＬＥＤの発光面の前方にレンズを支持している構造の照明装置において、前記レンズの表面の少なくとも一面にハーフミラーが形成されており、前記レンズは集光レンズであり、該レンズの表面は外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の中心軸と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の中心軸が不一致であること。
（２）支持体の内部に発光源としてＬＥＤを支持し、前記支持体は前記ＬＥＤの発光面の前方にレンズを支持している構造の照明装置において、前記レンズの表面の少なくとも一面にハーフミラーが形成されており、前記レンズは集光レンズであり、該レンズの表面は外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の焦点距離と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の焦点距離とを異ならせたこと。
（３）支持体の内部に支持された基板上に、１個ずつあるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤを多数個あるいは多数組平面的に配列し、前記１個あるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤの発光面のそれぞれの組の前方に、表面が外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の中心軸と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の中心軸が不一致であるか、あるいは前記フレネルレンズ面の焦点距離と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の焦点距離とを異ならせたレンズをそれぞれ１個ずつ平面的に配列し、かつ該レンズの少なくとも一面にはハーフミラーが形成されていること。
本発明の照明装置は、前記（１）から（３）のいずれかの特徴に加え、以下の（４）から（７）の特徴の少なくとも１つを更に備えることがある。
（４）前記レンズの個々の前記内側部分と前記外側部分のそれぞれの中心軸に対する前記１個あるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤの位置を平面上で異なる方向にずらしておくこと。
（５）前記発光源はＹＡＧ蛍光体を含有する樹脂を透して発光する青色発光ＬＥＤであり、外部に対して白色の発光を行うこと。
（６）前記ハーフミラーは前記レンズの内側の面すなわち発光源側の面に形成されていること。
（７）前記ハーフミラーはアルミニウム等の金属材料から成る薄膜であること。
請求項１あるいは２に記載の特徴により、外光によっては内部が見難くしかも発光をレンズによって十分に制御することが可能でありかつレンズの厚さが薄くかつ加工が容易で大口径になし得る効果を更に加え、更に異なるレンズ作用を１個の照明装置に同時に付与することができ、照明の態様の自由度を増すことができた。更に請求項３あるいは４に記載の特徴により、照明の強度や発光色や照度分布を多様化しうる照明装置を提供することができた。また請求項５に記載の特徴により、黄色などに着色して見えることのない、非点灯時にも高い外観品位を保った白色発光の照明装置を提供することができた。また請求項６の構成により、ハーフミラー膜がレンズによって保護され傷つき難くなった。
照明装置の内部を透視し難くすると共に発光素子からの光束を乱さぬためにはハーフミ
ラー膜をレンズ面に設ける（内面に設けた方が膜が傷つき難いので比較的に優れる）。ま
た小型・薄型化やレンズ加工の容易化、光束の有効利用の点では、外側に通常レンズ面を
、内側にフレネルレンズ面を持ったレンズを用いるのがよい。
図１は本発明の第１の実施例の断面図、図２はその平面図である。以下本発明の実施例
の各々の説明において、従来例と共通な構成要素については同じ符号を付し、説明の重複
を極力避けることとする。またボンディングワイヤ７も図示を省略することがある。
図１において、レンズ１は中心部はフレネルレンズ面１ａ，外周部は滑らかで連続した
曲面（通常は球面）をなす通常レンズ面１ｂを持っている。なおレンズ１の下面（照明装
置の内面）は平滑平面としてある。
レンズ１の下面には例えばアルミニウムや銀等の金属の薄膜が真空蒸着等の方法で設け
られている。（図では厚さが誇張されて示してある。）このハーフミラー膜２は半透過反
射膜として作用する。本実施例の照明装置を外光下で眺めると、ハーフミラー膜２は外光
を反射し、それが目に入るので観察者はその背後の封止樹脂５等照明装置の内部をほとん
どあるいは全く透視できない。膜の反射率がさほど大きくなくても（例えば３０％〜数％
あるいは更に小さくても）その効果は十分であるのでこの膜をＬＥＤ４から発する光が透
過する際の損失は大して問題にならない。また透過光はハーフミラー膜２によって散乱さ
れないので、レンズによる集光作用は何ら妨げられない。
図３は本発明の第２の実施例の断面図、図４はその平面図である。本例の基本的構成お
よび作用は第１実施例と同じであるが、レンズ１の形態がやや異なる。すなわち、フレネ
ルレンズ面１ａの中心軸（光軸）Ｃａと通常レンズ面１ｂ（仮想通常レンズ面１ｃの一部
である）の中心軸（光軸）Ｃｂとを若干ずらしてある。ＬＥＤ４の発光面の中心位置もそ
れらとずらしてある（どちらか一方と一致させる場合もある）。この構成によりＬＥＤ４
から発する光は各レンズ面によって別々の場所に集光されることになり、照明される対象
の位置での照度パターンに意図的な変化を与えることができる。
図５は本発明の第３の実施例の断面図、図６はその平面図である。本例は、図１と同様
な照明の基本的構成の単位を複数個平面的にアレイ状に配列したもので、その個数は任意
である。多数のレンズ１は広い透明板上に集合的に形成され、ハーフミラー膜２はその全
面に一様に形成され、また多数のＬＥＤ４も広いＬＥＤ基板３上に各レンズ１に対応する
平面的な位置に実装されている。
本例では整列された照明光を得ることもできるし、また各レンズ１の焦点距離を選んで
照明対象位置で光の強いスポットが生じないようにしておけば、広い面積にわたって明る
さの均等な照明効果が得られる。またこの構造でそれぞれのＬＥＤ４の位置を各レンズ１
の中心から平面上で異なる方向にずらしておくことにより、照明される面での光度分布に
変化を与えることができ、使用目的に合わせた集合的照明装置を得ることもできる。
図７は本発明の第４の実施例の断面図、図８はその平面図である。本例においては、１
個のレンズ１の下にあるＬＥＤ４の個数を増してある。例として赤、緑、青の三原色での
混色照明をするべく、各原色を発光するＬＥＤ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを近接させてＬＥＤ基板
３上に設けた。なお支持体６にはあらゆる方向の発光を有効に利用すべく、円錐または角
錐上で反射率を高める表面処理を施した反射面６ａを設けた。
本例においては封止樹脂５を用いないか、蛍光体を含めないで用いることがあり得るが
、その場合でもハーフミラー膜２は照明装置の内部構造を容易に視認させないようにする
効果がある。また複数のＬＥＤ４に同色のものを用いて、拡散された照明光を得ることも
可能である。
その他の実施例
以上４つの実施例について述べたが、本発明の実施の形態はこれらの実施例のみに限ら
れないことはもちろんである。例えば発光素子であるＬＥＤの形態や配置、ハーフミラー
膜の材質や膜の着色、あるいはＬＥＤ基板や支持体を含めたまたはこれに代わる容器の構
造等は任意である。またハーフミラーを設ける面もレンズの内面の平面部とは限らず、例
えば凹凸のある外側面でもよい。膜厚も任意に選んで反射率と透過率を適正化することが
できる。またハーフミラー膜を全面均一に設けなくてもよく、ドット状、すだれ状、ある
いは格子状等にしてもよい。封止樹脂の有無、色あるいは形状等も自由である。なお、ハ
ーフミラー膜の代わりにドット状等に白色塗料の印刷を施すことにより、金属光沢なしで
同様に内部の黄色味を低減させる効果が得られることは言うまでもない。
レンズの形状も、厚さが許されれば全体を通常レンズとしてもよく、逆に全体をフレネルレンズとしてもよい。また通常レンズ部とフレネルレンズ部の面積比を種々選択したり、両者の焦点距離等レンズ特性を変えたり（これによって、例えばある程度明るい照明範囲の中に更に強いスポット的照射部を得たり、レンズの収差の一部を若干補正したりすることもできる）、各レンズ面の軸の一方あるいは双方を傾斜させたり、フレネルレンズ面を平面上でなく凸面あるいは凹面上に形成する、あるいは既述の実施例の特徴の異なる組み合わせを図るなど、種々任意な構成や変形例を与えることができる。あるいはレンズ面の少なくとも一方を凹レンズとして拡散された照明光とすることもできる。
本発明の照明装置は、非発光時にその内部の色あるいは構造が全くあるいはほとんど見
えないので、この照明装置を搭載した機器等の外観を損なわないというデザイン的な利点
があり、更に薄型化や集光（あるいは散光）特性を多様化できる構成であるので高級品へ
の適用を始め応用範囲が極めて広く、産業上の利用可能性は極めて大きい。
本発明の照明装置の第１の実施例の断面図である。 本発明の照明装置の第１の実施例の平面図である。 本発明の照明装置の第２の実施例の断面図である。 本発明の照明装置の第２の実施例の平面図である。 本発明の照明装置の第３の実施例の断面図である。 本発明の照明装置の第３の実施例の平面図である。 本発明の照明装置の第４の実施例の断面図である。 本発明の照明装置の第４の実施例の平面図である。 第２の従来例の照明装置の断面図である。 第１の従来例の照明装置の断面図である。
符号の説明
１ レンズ
１ａ フレネルレンズ面
１ｂ 通常レンズ面
１ｃ 仮想通常レンズ面
２ ハーフミラー膜
３ ＬＥＤ基板
４ ＬＥＤ
４Ｒ 赤色ＬＥＤ
４Ｇ 緑色ＬＥＤ
４Ｂ 青色ＬＥＤ
５ 封止樹脂
６ 支持体
６ａ 反射面
７ ボンディングワイヤ
８ 光拡散板
Ｃａ フレネルレンズ部の中心軸
Ｃｂ 通常レンズ部の中心軸

Claims (7)

  1. 支持体の内部に発光源としてＬＥＤを支持し、前記支持体は前記ＬＥＤの発光面の前方にレンズを支持している構造の照明装置において、前記レンズの表面の少なくとも一面にハーフミラーが形成されており、前記レンズは集光レンズであり、該レンズの表面は外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の中心軸と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の中心軸が不一致であることを特徴とする照明装置。
  2. 支持体の内部に発光源としてＬＥＤを支持し、前記支持体は前記ＬＥＤの発光面の前方にレンズを支持している構造の照明装置において、前記レンズの表面の少なくとも一面にハーフミラーが形成されており、前記レンズは集光レンズであり、該レンズの表面は外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の焦点距離と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の焦点距離とを異ならせたことを特徴とする照明装置。
  3. 支持体の内部に支持された基板上に、１個ずつあるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤを多数個あるいは多数組平面的に配列し、前記１個あるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤの発光面のそれぞれの組の前方に、表面が外側部分と内側部分からなり、前記外側部分は滑らかな曲面より成るレンズ面、前記内側部分はフレネルレンズ面をなすと共に、前記フレネルレンズ面の中心軸と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の中心軸が不一致であるか、あるいは前記フレネルレンズ面の焦点距離と前記滑らかな曲面より成るレンズ面の焦点距離とを異ならせたレンズをそれぞれ１個ずつ平面的に配列し、かつ該レンズの少なくとも一面にはハーフミラーが形成されていることを特徴とする照明装置。
  4. 前記レンズの個々の前記内側部分と前記外側部分のそれぞれの中心軸に対する前記１個あるいは近接させて配置した複数個のＬＥＤの位置を平面上で異なる方向にずらしておくことを特徴とする請求項３の照明装置。
  5. 前記発光源はＹＡＧ蛍光体を含有する樹脂を透して発光する青色発光ＬＥＤであり、外部に対して白色の発光を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれかの照明装置。
  6. 前記ハーフミラーは前記レンズの内側の面すなわち発光源側の面に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの照明装置。
  7. 前記ハーフミラーはアルミニウム等の金属材料から成る薄膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれかの照明装置。
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