JP4615393B2 - 帯状光源用導光体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、帯状光源用導光体の製造方法に関するものである。

近年、照明用光源として、その発光効率の高さ、寿命の長さの点から発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と略記することもある。）素子が頻繁に使用されつつある。このＬＥＤは、単独でも十分な光量を有するものが開発されつつある。
しかしながら、ＬＥＤは点状光源であり、指向性があるため、単独ではスポット照明としてのみの使用に制限されていた。一方、照明用途では、蛍光灯のように均一な輝度分布を有する線状光源、棒状光源、または面状光源などの帯状光源が求められている。

ＬＥＤを使用して、蛍光灯のような線状光源を構成する方法としては、複数のＬＥＤを線状に並べる方法が挙げられる。しかしながら、この方法を用いて、均一な輝度分布を有する線状光源を構成しようとすると、多数のＬＥＤが必要となり、製造コストが増加するという問題があった。

また、液晶のバックライトに代表される導光板やライトパイプの技術を利用して１個または小数のＬＥＤで線状光源を構成する試みもなされている。しかしながら、この方法は、輝度分布の均一性の点においては十分なレベルにあるものの、一般的な照明用途としてはあまり普及していない。

一般的に、棒状の導光体を用いた線状光源は、端面にサンドブラスト、微細な溝加工、白色印刷などの加工が施された棒状の導光体の端面から光を入射し、加工部位に到達した光が反射、散乱されて線状照明となる。これらの加工条件を制御することにより、線状光源の輝度分布を均一にすることができる（例えば、特許文献１参照。）。
米国特許５，４３２，８７６号公報

しかしながら、サンドブラストや白色印刷では、散乱光は強い指向性を示さないので、全方向に広がってしまうため、照明用途に使用する場合には、配光設計の自由度が少ない。
また、配光設計の自由度を高めるために、正面方向の輝度を高める（指向性を持たせる）場合には、通常、導光体に、主反射面の導光体の主光軸に対する頂角が４５度程度をなすように、断面三角形のＶ溝が形成される。通常、Ｖ溝を有する導光体は、射出成形により製造されるため、Ｖ溝の主反射面における導光体の主光軸に対する頂角は４５度以上の角度を持つ場合がほとんどである。

Ｖ溝の主反射面における光の反射は、導光体と空気界面との全反射を利用しているため、全反射角（アクリル−空気間で４２度）を超えた光は、主反射面で反射せずに透過する。透過した光の一部は、Ｖ溝の主反射面と向かい合う面に入射して、再び導光体の中を伝播するが、図６に示すように、入射する角度によっては伝播する角度が大きく変化してしまうため、Ｖ溝で再び反射されても傾きが大きく、指向性が劣化するだけでなく、一部の光は系外に散逸してしまう（図６（ａ）、（ｂ）参照）。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、強い指向性を示す帯状光源用導光体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の帯状光源用導光体の製造方法は、帯状の透明部材と、該透明部材の主光軸に沿って裏面側に配置され、前記透明部材の端面側から入射して伝播した光を、前記透明部材の表面側または裏面側に反射する複数のプリズム状の反射溝とを備え、前記反射溝の断面形状が略三角形であり、前記反射溝の頂角の角度が５度以上、３０度以下である帯状光源用導光体の製造方法であって、頂角の角度が５度以上、３０度以下の三角形状をなすとともに、刃面が鏡面加工された刃を用いて、前記透明部材および／または前記刃を加熱し、前記透明部材の裏面に前記刃を押し込むことにより、前記透明部材に断面形状が三角形の反射溝を形成する第１工程を少なくとも含むことを特徴とする。

上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記反射溝の主反射面の帯状の透明部材の主光軸に対する傾斜角度を４０度以上、６０度以下であることが好ましい。

上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記第１工程において、帯状の透明部材の裏面に対して、傾斜角度４０度以上、６０度以下で前記刃を押し込むことが好ましい。
上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記第１工程において、帯状の透明部材に対して複数の前記刃をまとめて押し込み、複数の前記刃を帯状の透明部材からまとめて離間させ、離間させたまま前記帯状光源用導光体の長手方向に沿って特定距離移動させる第２の工程をさらに含むことが好ましい。
上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記第１工程と前記第２工程を繰り返すことが好ましい。

上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記透明部材は、アクリル樹脂から構成されており、前記第１工程において、前記透明部材および／または前記刃を１４０〜２００℃程度で加熱することが好ましい。
上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記透明部材は、ポリカーボネート樹脂から構成されており、前記第１工程において、前記透明部材および／または前記刃を１６０〜２５０℃程度で加熱することが好ましい。

上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記帯状光源用導光体は、前記透明部材の裏面側に配置され、前記反射溝にて裏面側に反射した光を前記透明部材の表面側に反射する反射シートをさらに備えることが好ましい。

上記の帯状光源用導光体の製造方法において、前記透明部材は、入射面が凸状をなしていることが好ましい。

本発明の帯状光源用導光体によれば、帯状の透明部材に配された反射溝の断面形状が略三角形であり、この反射溝の主反射面の透明部材の主光軸に対する傾斜角度が４０度以上、６０度以下、かつ、反射溝の頂角の角度が５度以上、３０度以下であるので、指向性が高く、効率的な線状光源を実現することができる。また、本発明の帯状光源用導光体によれば、ＬＥＤなどの光源を用いた高性能な帯状光源を経済的に生産することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明に係る帯状光源用導光体および帯状光源の第一の実施形態を示す断面図である。
図１中、符号１０は帯状光源用導光体、１１は帯状の透明部材（以下、「帯状透明部材」と略す。）、１２は反射溝、２０は帯状光源、２１は発光ダイオードをそれぞれ示している。

なお、本発明における「帯状」とは、幅または長さが、厚みよりも大きい物体を指している。すなわち、本発明では、「帯状」とは、線状、棒状、面状のことである。

この実施形態の帯状光源用導光体１０は、帯状透明部材１１と、この帯状透明部材１１の裏面１１ｂ側に配置され、帯状透明部材１１の端面１１ｃ側から入射して伝播した光を表面１１ａ側に反射する複数のプリズム状の反射溝１２とから概略構成されている。
この実施形態では、複数の反射溝１２が、帯状透明部材１１の主光軸方向（長手方向）に沿って、所定の間隔をおいて配置されている。

ここでいう「プリズム状の反射溝１２」とは、帯状光源用導光体１０内を伝播する光を略垂直方向に反射する面を有する構造体という意味であり、一般的なプリズム形状を有する必要はない。

この実施形態では、反射溝１２は、その断面形状が略三角形のＶ溝であり、反射溝１２の主反射面１２ａ（反射溝１２において、帯状透明部材１１を伝播する光が主に反射する面。図１では、反射溝１２において、帯状透明部材１１の端面１１ｃ側の面。）の帯状透明部材１１（帯状光源用導光体１０）の主光軸に対する傾斜角度が４０度以上、６０度以下、かつ、反射溝１２の頂角１２ｂの角度が５度以上、３０度以下である。

また、反射溝１２の主反射面１２ａの帯状透明部材１１の主光軸に対する傾斜角度は４８度以上、５３度以下がより好ましい。
反射溝１２の主反射面１２ａの傾斜角度が４０度未満では、帯状光源用導光体１０の光軸と略垂直方向に反射する光の量が低下し、結果として輝度が低下する。一方、反射溝１２の主反射面１２ａの傾斜角度が６０度を超えると、全反射条件から外れる光の割合が多くなり、反射溝１２における光の反射効率が低下する。特に、反射溝１２の主反射面１２ａの傾斜角度が４８度以上、５３度以下の範囲では、帯状光源用導光体１０の光軸と略垂直方向の輝度がほぼ最大となるとともに、指向性も高く、反射効率も低下しないので、帯状光源用導光体１０全体として、性能のバランスが良いから好ましい。

また、反射溝１２の頂角１２ｂの角度が５度未満では、加工が困難で現実的ではない。一方、反射溝１２の頂角１２ｂの角度が３０度を超えると、反射溝１２において光が全反射せずに、反射面を透過して再入射した光の角度変化が大きくなる。その結果、指向性が劣化したり、反射溝１２から外れて系外に散逸する光が多くなるので、帯状光源用導光体１０全体の反射効率が低下する。

このように、反射溝１２の主反射面１２ａの帯状透明部材１１の主光軸に対する傾斜角度が４０度以上、６０度以下、かつ、反射溝１２の頂角１２ｂの角度が５度以上、３０度以下であれば、指向性が高く、反射効率に優れる帯状光源用導光体１０が実現される。

また、反射溝１２は、通常、図２（ａ）に示すように、帯状透明部材１１の主光軸と垂直方向に沿在する１つのＶ溝をなしているが、図２（ｂ）に示すように、帯状透明部材１１の主光軸と垂直方向に沿在し、所定の間隔をおいて設けられた複数のＶ溝から構成されていてもよく、図２（ｃ）に示すように、帯状透明部材１１の主光軸と垂直方向に沿在し、格子状に設けられた複数のＶ溝から構成されていてもよい。

さらに、帯状光源用導光体１０の輝度分布を均一にする方法としては、以下に示す方法が用いられる。
（１）反射溝１２の深さ（帯状透明部材１１の裏面１１ｂから頂角１２ｂの頂点までの長さ）を、帯状透明部材１１の端面１１ｃ側、すなわち、帯状光源用導光体１０の入射面から、帯状光源用導光体１０の光軸（長手方向）に沿って少しずつ高くする方法。
（２）反射溝１２を設ける間隔（ピッチ）を、帯状光源用導光体１０の入射面から、帯状光源用導光体１０の光軸（長手方向）に沿って少しずつ小さくする方法。
（３）帯状透明部材１１の厚みまたは断面積を、帯状光源用導光体１０の入射面から、帯状光源用導光体１０の光軸（長手方向）に沿って少しずつ小さくする方法。
（４）上記の（１）〜（３）の方法を組み合わせた方法。

また、帯状光源用導光体１０の指向性を高めるためには、帯状光源用導光体１０に入射した光（入射光）の広がりが小さいことが好ましい。そこで、入射光の広がりを抑えるためには、帯状透明部材１１の端面１１ｃ（入射面）が凸状をなしていることが好ましい。

帯状透明部材１１としては、透明な材料であればよく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、などの合成樹脂からなる板や、ガラス板などが用いられ、これらの中でも透明性、加工の容易さなどの点からアクリル板が好ましい。

この実施形態では、帯状光源用導光体１０を用いて、帯状光源２０を構成することもできる。
この実施形態の帯状光源２０は、帯状光源用導光体１０と、帯状光源用導光体１０の端面（帯状透明部材１１の端面１１ｃ）から光を入射可能に結合された光源２１とから概略構成されている。

光源２１としては、ＬＥＤなどが用いられるが、このＬＥＤは帯状光源用導光体１０の入射面の幅に応じて、複数並列に配置されていることが好ましい。
このようにすれば、帯状光源用導光体１０を全域に渡って、光の伝播に使用することができるので、帯状光源用導光体１０の表面全域から発光させることができる。

また、光源２１としては、帯状の透明部材を用いて、帯状光源用導光体１０と同様に形成された帯状光源用導光体を備えた帯状光源が好ましい。
帯状光源を用いる場合、例えば、図３に示すように、帯状光源用導光体１０の入射面（帯状透明部材１１の端面１１ｃ）に、帯状光源用導光体２２の表面（帯状光源用導光体２２を伝播する光が発する面）を対向させる。この状態で、帯状光源用導光体２２の入射面から光を入射すれば、帯状光源用導光体２２を伝播する光が反射溝２３で反射し、その反射光が帯状光源用導光体１０に、その入射面全域から入射するので、帯状光源用導光体１０を全域に渡って、光の伝播に使用することができるから、帯状光源用導光体１０の表面全域から発光させることができる。

この実施形態では、帯状光源２０を用いて、帯状照明装置を構成することもできる。
この実施形態の帯状照明装置は、帯状光源２０、電源、制御装置などを備えてなるものである。
この実施形態の帯状照明装置は、帯状光源２０を用いてなるものであるから、照明効率の部分的な劣化が少なく、効率的に対象物に明かりを照らすことができる。

この実施形態の帯状光源用導光体１０によれば、指向性が高く、効率的な帯状光源を実現することができる。また、この実施形態の帯状光源用導光体１０によれば、ＬＥＤなどの光源を用いた高性能な帯状光源を経済的に生産することができる。

（第一の実施形態における製造方法）
次に、図４を参照して、本発明に係る帯状光源用導光体の製造方法の一例を説明する。
この実施形態の帯状光源用導光体の製造方法では、まず、加工機３０の架台３１に、帯状透明部材１１を、その裏面１１ｂ（加工面）を上向きにして載置した後、固定する。
次いで、頂角の角度が５度以上、３０度以下の三角形状をなし、刃面が鏡面加工された複数の刃３２を所定の間隔（ピッチ）、所定の角度、所定の高さにて、ホルダ３３に固定する。このホルダ３３はヒータ（図示略）に接続されており、このヒータにより刃３２を所定温度に加熱することができるようになっている。
次いで、帯状透明部材１１および刃３２の両方、あるいは、帯状透明部材１１または刃３２のいずれか一方を、ヒータにより所定温度に加熱し、帯状透明部材１１の裏面１１ｂに刃３２を所定量押し込むことにより、帯状透明部材１１に断面形状が三角形の反射溝１２を形成する。

そして、刃３２を帯状透明部材１１から離間させて、帯状透明部材１１の長手方向に沿って所定の距離を移動させた後（図４の矢印方向）、再び、帯状透明部材１１の裏面１１ｂに刃３２を所定量押し込むことにより、帯状透明部材１１に反射溝１２を形成する。

この刃３２の移動と押し込みの工程を繰り返すことにより、複数の反射溝１２が、帯状透明部材１１の長手方向に沿って、所定の間隔をおいて配置された帯状光源用導光体１０を得る。

なお、帯状透明部材１１または刃３２を加熱する温度は、帯状透明部材１１を構成する材料に応じて適宜調整されるが、帯状透明部材１１がアクリル樹脂から構成される場合、１４０〜２００℃程度、ポリカーボネート樹脂から構成される場合、１６０〜２５０℃程度が望ましい。

また、刃３２のピッチや大きさは、目的とする反射溝１２の形状（大きさ）や、帯状光源用導光体としての反射効率などに応じて適宜調整される。

この実施形態の帯状光源用導光体の製造方法によれば、帯状透明部材１１および刃３２の両方、あるいは、帯状透明部材１１または刃３２のいずれか一方を、ヒータにより所定温度に加熱し、帯状透明部材１１の裏面１１ｂに刃３２を所定量押し込むことにより、帯状透明部材１１に断面形状が三角形の反射溝１２を形成するので、帯状透明部材１１が軟化するから、刃３２が帯状透明部材１１との接触により損傷して、強度が低下したり、耐久性が損なわれることがない。また、この実施形態の帯状光源用導光体の製造方法によれば、加工屑などが発生しないので、帯状光源用導光体１１に押し込んだ刃３２を、帯状透明部材１１から離間させた後、帯状光源用導光体１１に形成された反射溝１２に対して、加工屑をエアブローにより除去するなど後処理は特に必要ない。この実施形態の帯状光源用導光体の製造方法によれば、一工程（刃３２の帯状光源用導光体１１への押し込み）により、所定の形状の反射溝１２を形成することができる。また、Ｖ溝の形成方法としては、一般的に、射出成形や切削法が用いられているが、この実施形態の帯状光源用導光体を構成する反射溝１２は、頂角１２ｂの角度が小さいため、射出成形では金型の強度に問題がある上に、型抜きも困難であり、切削法ではオーバーハングがあるため、ほぼ形成不可能であると考えられる。一方、この実施形態の帯状光源用導光体の製造方法によれば、加熱した刃３２を帯状透明部材１１に押し込むことにより、微細な反射溝１２を所定のピッチで形成することができるとともに、射出成形や切削法などと比較しても大幅に加工時間を短縮することができる。

（第二の実施形態）
図５は、本発明に係る帯状光源用導光体および帯状光源の第二の実施形態を示す断面図である。
図５中、符号４０は帯状光源用導光体、４１は帯状透明部材、４２は反射溝、４３は反射シート、５０は帯状光源をそれぞれ示している。

この実施形態の帯状光源用導光体４０が、上記の帯状光源用導光体１０と異なる点は、反射溝４２の主反射面４２ａの傾斜を反対にし、さらに、帯状透明部材４１の裏面４１ｂ側に、反射溝４２と対向するように、反射シート４３が配置されている点である。

このような構成とすることにより、帯状光源用導光体４０を伝播する光が反射溝４２にて反射して、帯状透明部材４１の裏面４１ｂから出射した光を、さらに、帯状透明部材４１の表面４１ａ側に反射させることができる。したがって、反射シート４３の表面（反射面）を鏡面や白色にしたり、角度形状を変えたりすることにより、帯状光源用導光体４０からの発光を、拡散光にしたり、収束光にしたりするといった自由な配光設計が可能となる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
以下、

（実施例）
以下、図１および図４を参照して、実施例を説明する。
図１に示した構成の帯状光源用導光体１０を作製した。
まず、加工機３０の架台３１に、縦横５ｍｍ、長さ５００ｍｍのアクリル板からなる帯状透明部材１１を、その裏面１１ｂ（加工面）を上向きにして載置した後、水平に固定した。
次いで、頂角の角度が２０度、刃面を鏡面仕上げした刃３２を１０枚、ピッチを５ｍｍ、架台３１の長手方向に対する傾斜角度を６０度とし、同じ高さでホルダ３３に固定した。
次いで、ヒータにより刃３２を１８０℃に加熱し、この刃３２を帯状透明部材１１に角度６０度、０．５ｍｍ／ｓｅｃの速度にて、所定の深さに押し込んだ後、刃３２を帯状透明部材１１から離間させた。
次いで、ホルダ３３を帯状透明部材１１の長手方向に沿って５０ｍｍ移動させ、再び、刃３２を帯状透明部材１１に押し込んだ。
このような刃３２の押し込みと移動を繰り返して、刃３２（ホルダ３３）の移動毎に、帯状透明部材１１に対する刃３２の押し込み量を少しずつ大きくし、帯状透明部材１１の長手方向に沿って４００ｍｍの長さに反射溝１２を形成し、帯状光源用導光体１０を得た。
全ての反射溝１２を形成するために要した時間（加工時間）は、４０秒であった。
得られた帯状光源用導光体１０の反射溝１２の初期の深さは０．０５ｍｍ、最終的な深さは１．５ｍｍであった。また、反射溝１２のピッチは５ｍｍ、反射溝１２の主反射面１２ａの帯状透明部材１１の主光軸に対する傾斜角度は５０度、反射溝１２の頂角の角度は２０度であった。
帯状光源用導光体１０の入射面から、砲弾型ＬＥＤ（豊田合成株式会社製、Ｅ１Ｌ３３−ＡＷ０Ａ−０３、白色 、φ３）により光を入射し、照度計（コニカミノルタ株式会社製、Ｔ−１０）を用いて、帯状光源用導光体１０の照度分布および指向性を調べた。
その結果、帯状光源用導光体１０の平均照度は３．３ｌｕｘ、照度ムラは±１２％であった。なお、照度分布の測定は、帯状光源用導光体１０の直下、かつ、帯状光源用導光体１０から１００ｍｍ離れた位置において、帯状光源用導光体１０から出射された光の照度を測定することにより行った。なお、この照度分布の測定では、帯状光源用導光体１０の両端面から５０ｍｍの領域をそれぞれ測定対象から除外した。
また、帯状光源用導光体１０の指向性は、帯状透明部材１１の主光軸と垂直方向断面で４０度、平行方向断面で３２度であった。なお、指向性の調査では、光源から２ｍの距離における照度の角度分布を測定した。

（比較例）
まず、ダイヤモンドバイト切削法により、横５ｍｍ、長さ５００ｍｍのアクリル板からなる帯状透明部材の長手方向に沿って４００ｍｍの長さに反射溝を形成し、帯状光源用導光体を得た。
得られた帯状光源用導光体の反射溝の深さは０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、ピッチは５ｍｍ、主反射面の帯状透明部材の主光軸に対する傾斜角度は５０度、頂角の角度は１００度であった。
また、全ての反射溝を形成するために要した時間（加工時間）は、３分４０秒であった。
実施例と同様にして、得られた帯状光源用導光体の照度分布および指向性を調べた。
その結果、帯状光源用導光体の平均照度は２．７ｌｕｘ、照度ムラは±１４％であった。
また、帯状光源用導光体の指向性は、帯状透明部材の主光軸と垂直方向断面で４４度、平行方向断面で４２度であった。

本発明に係る帯状光源用導光体および帯状光源の第一の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る帯状光源用導光体の一実施形態を示す平面図である。 本発明に係る帯状光源の一実施形態を示す平面図である。 本発明に係る帯状光源用導光体の製造方法の一実施形態を示す模式図である。 本発明に係る帯状光源用導光体および帯状光源の第二の実施形態を示す断面図である。 従来の導光体に設けられたＶ溝の反射面における光の散乱の様子を示す模式図である。

符号の説明

１０，４０・・・帯状光源用導光体、１１，４１・・・帯状透明部材、１２，４２・・・反射溝、２０・・・帯状光源、２１・・・発光ダイオード（ＬＥＤ）、３０・・・加工機、３１・・・架台、３２・・・刃、３３・・・ホルダ、４３・・・反射シート。

Claims (9)

1. 帯状の透明部材と、該透明部材の主光軸に沿って裏面側に配置され、前記透明部材の端面側から入射して伝播した光を、前記透明部材の表面側または裏面側に反射する複数のプリズム状の反射溝とを備え、前記反射溝の断面形状が略三角形であり、前記反射溝の頂角の角度が５度以上、３０度以下である帯状光源用導光体の製造方法であって、
   頂角の角度が５度以上、３０度以下の三角形状をなすとともに、刃面が鏡面加工された刃を用いて、前記透明部材および／または前記刃を加熱し、前記透明部材の裏面に前記刃を押し込むことにより、前記透明部材に断面形状が三角形の反射溝を形成する第１工程を少なくとも含むことを特徴とする帯状光源用導光体の製造方法。
2. 前記反射溝の主反射面の帯状の透明部材の主光軸に対する傾斜角度を４０度以上、６０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
3. 前記第１工程において、帯状の透明部材の裏面に対して、傾斜角度４０度以上、６０度以下で前記刃を押し込むことを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
4. 前記第１工程において、帯状の透明部材に対して複数の前記刃をまとめて押し込み、
   複数の前記刃を帯状の透明部材からまとめて離間させ、離間させたまま前記帯状光源用導光体の長手方向に沿って特定距離移動させる第２の工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
5. 前記第１工程と前記第２工程を繰り返すことを特徴とする請求項４に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
6. 前記透明部材は、アクリル樹脂から構成されており、
   前記第１工程において、前記透明部材および／または前記刃を１４０〜２００℃程度で加熱することを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
7. 前記透明部材は、ポリカーボネート樹脂から構成されており、
   前記第１工程において、前記透明部材および／または前記刃を１６０〜２５０℃程度で加熱することを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
8. 前記帯状光源用導光体は、前記透明部材の裏面側に配置され、前記反射溝にて裏面側に反射した光を前記透明部材の表面側に反射する反射シートをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。
9. 前記透明部材は、入射面が凸状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の帯状光源用導光体の製造方法。

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