JP4715584B2

JP4715584B2 - 発光装置

Info

Publication number: JP4715584B2
Application number: JP2006087195A
Authority: JP
Inventors: 広行関井; 滋奥田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007265721A

Description

本発明は、表示装置等に用いられ、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源から放射状に照射された光をレンズにより屈折させて集光し、所定方向に照射する発光装置に関する。

近年、道路や自動車等の表示装置等には、一般的なフィラメントランプの他、ＬＥＤ等を備えた発光装置が用いられている。このような表示装置等に用いられる発光装置において、ＬＥＤ等の光源から照射される光は、使用用途に応じた所定の方向にのみ照射されればよい。しかし、通常、光源からの光は、放射状に放射されることから、ＬＥＤ等の光源から照射された光を有効に利用するため、従来から、特許文献１又は特許文献２に示されるように、ＬＥＤ等から照射された光を集光して所定の方向へ放射するレンズを備えた発光装置が知られている。

ここで、一般的な単一の光源を備えた発光装置の構成について、図５（ａ）（ｂ）を参照して説明する。単一の光源を有する発光装置１０１は、ＬＥＤ１０２を配設した基板１０３とＬＥＤ１０２から出射された光を所定角度に屈折させるためのコリメート（集光）用のレンズであって、レンズの入射側面に凹面１４４が形成されたハイブリッドレンズ１０４とから構成される。例えば、図５（ｂ）の実線矢印Ｌ１に示されるように、ＬＥＤ１０２から放射された光は、ハイブリッドレンズ１０４の凹面１４４に入射する際に１次屈折し、レンズの外郭面１４３の内表面で２次屈折した後に、ハイブリッドレンズ１０４の出射面１４１からレンズ外に出射される。また、発光装置１０１は、ハイブリッドレンズ１０４自体の形状や屈折率等の調節をすることで、ハイブリッドレンズ１０４に入射した光を所定の方向へ出射させる。

また、道路や自動車等の表示装置等に用いられる発光装置は、例えば、特許文献１又は特許文献２に示されるように、複数の光源を備えたものが知られる。これは、図６に示される発光装置１１１のように、基板１０３上に、複数のＬＥＤ１０２が所定間隔で配置され、それらの上部に各々、ハイブリッドレンズ１０４の凹面１４４が配置されるようにするために、複数のハイブリッドレンズ１０４の外郭面１４３の上部を外方へと延出して架橋することにより、ハイブリッドレンズ１０４を所定の位置に決定し、支持させたものである。
特開２００３−２８１９０９号公報特開昭６０−１３０００１号公報

上記の単一の光源を有する発光装置１０１では、例えば、図５（ｂ）の点線矢印Ｌ２に示されるように、ハイブリッドレンズ１０４の凹面１４４で一次屈折し、レンズの外郭面１４３の内表面上部へと向かう光は、外郭面１４３とこれに接する材料（ここでは空気）との屈折率の差により、外郭面１４３の内表面で全反射してレンズ上面の出射面１４１から出射される。

しかしながら、特許文献１又は特許文献２に示される発光装置のように、複数のハイブリッドレンズ１０４の外郭面１４３の上部を、レンズ中心から外方へと延出して架橋されたものでは、この架橋した部分の材質がハイブリッドレンズ１０４と同じ材質である場合には、屈折率の差がないため、図６の点線矢印Ｌ２のように、レンズの外郭面１４３の内表面上部へと向かう光が、出射面１４１からは出射されない。そのため、特許文献１又は特許文献２に示される構成のレンズを有する発光装置では、必ずしも十分な輝度を得られないことがあった。

本発明は、上記課題を解決するものであり、複数のハイブリッドレンズの外郭面の上部がレンズ中心から外方へ延出して架橋された構成を有する発光装置において、光源から放射され、レンズ内に入射した光のうち、レンズの外郭面の内表面上部に到達した光をも有効に集光して、十分な輝度が得られる発光装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の光源と、前記光源が搭載された基板と、前記基板の法線を軸とした大底面と小底面とを有する回転体の外郭を成して、小底面に設けられた凹面が前記光源から出射される光の入射面となり、該光を屈折させて所定方向へ放射させる第１の光学部材と、前記基板上に配列された前記複数の光源の配置に合わせて複数の前記第１の光学部材の位置を決定し、これらを支持するため、前記第１の光学部材の少なくとも外郭面上部に対向すると共に、該外郭面上部より外方に延出して成る第２の光学部材と、を有する発光装置であって、前記第１の光学部材の外郭面における前記第２の光学部材と対向する面が反射面であるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発光装置において、前記反射面は、前記第１の光学部材の外郭面と前記第１の光学部材の屈折率よりも小さな屈折率の材質とが接することにより構成されるものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光装置において、前記反射面は、前記第１の光学部材の外郭面と空気層とが接することにより構成されるものである。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置において、前記第２の光学部材は、前記第１の光学部材の大底面の外周辺より外方に延出して前記第１の光学部材に接する接触部分と、前記反射面により仕切られて前記第１の光学部材に接しない非接触部分と、を有し、前記接触部分は、第１の光学部材と一体となっているものである。

請求項１の発明によれば、第１の光学部材の外郭面の内表面上部へと到達した光は、反射面により反射されて、大底面に略直交する方向に照射されるので、有効光として利用可能な光が増え、発光装置として十分な輝度を得ることができる。

請求項２の発明によれば、第１の光学部材よりも屈折率が小さい、例えば、ポリエチレン樹脂等の透光性樹脂から成る第２の光学部材を第１の光学部材の外郭面に接するように設置することにより、反射面を構成することができるので、第１の光学部材の外郭面に金属を蒸着させる等の方法よりも安価に反射面を構成することができる。

請求項３の発明によれば、反射面は第１の光学部材の外郭面と空気層とが接することにより構成されるので、安価に反射面を構成することができ、発光装置全体としての生産コストも抑制することができる。

請求項４の発明によれば、第１の光学部材と接する接触部分及び接しない非接触部分を形成して成る第２の光学部材を第１の光学部材の大底面の外周辺の上から嵌合させることにより、第１の光学部材と第２の光学部材の接触部分とを一体化させ、第１の光学部材と第２の光学部材の非接触部分との間に、隙間、すなわち反射面を形成することができるので、発光装置の生産コストを更に抑制することができると共に、第１の光学部材の位置決め、支持を的確に行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る発光装置１について、図１（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、光を発散する光源２と、光源２が搭載された基板３と、光源２から出射される光を屈折させて所定方向へと放射させる第１の光学部材４と、第１の光学部材４の外郭面４３の上部に接すると共に、その外郭面４３の上部より外方に延出して成り、基板３上に隣接して配列された複数の光源２の配置に合わせて第１の光学部材４の位置を決定し、支持させる第２の光学部材５と、を備えている。以下、各構成要素を詳細に説明する。

光源２には、汎用の発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられ、例えば、青色ＬＥＤと、３８０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長帯域の光を４８０ｎｍ〜７８０ｎｍの光へ変換するＹＡＧ（ＹｔｔｒｉｕｍＡｌｕｍｉｎｉｕｍＧａｒｎｅｔ）系蛍光体やＢＯＳ（Ｂａｒｉｕｍｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）系蛍光体等を含むシートと、を組み合わせた白色ＬＥＤが用いられる。また、本実施形態においては、上記の白色ＬＥＤに限らず、可視光を発生させ、発光装置１の全体の容量と比較して十分に小さければよく、例えば、小型白熱灯、小型のハロゲン電球等も使用可能である。また、光源２の発光面の形状についても、特に制限は無い。

基板３は、汎用のプリント基板であり、寸法安定性に優れ、反りやねじれ等のバラツキの少ない基板が用いられる。基板３の材料としては、例えば、ガラスクロス（布）を重ねたものにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板等が用いられる。また、基板３の裏には、光源２から発せられる熱を効率よく放熱するため、銅等の放熱性の良い材料が用いられた適宜のヒートシング等（図示せず）が装着される。一般に、光源２は基板３上に電気的に通電するようにはんだ付けされるが、例えば、接着剤等によって固定されてもよい。なお、図１（ａ）（ｂ）は、基板３上に単一の光源２が配置された発光装置１を示しているが、本実施形態においては、発光装置１の使用用途に応じて、複数の光源２が縦横マトリクス状や放射状や環状に配置されればよい。

第１の光学部材４は、基本的にはハイブリッドレンズが用いられ、基板３の法線を軸とした大底面４１と小底面４２とを有する回転体の外郭面４３を成して、小底面４２に設けられた凹面４４が光源２から出射される光の入射面となり、この光を外郭面４３の内表面で屈折させて所定方向へ放射させるものである。第１の光学部材４は、基板３に対して、近接又はその上部に搭載されるように設置され、基板３上に固定されている複数の光源２の各々を凹面４４が覆うように設置される。第１の光学部材４の材料には、アクリル樹脂、ポリカーボネート又はガラス等の透明性のある材料が用いられる。また、第１の光学部材４は、一般的には射出成形法により製造されるが、切削により製造されることもある。

上記の大底面４１の形状は、図１（ａ）（ｂ）では平面を示しているが、その他、凹面、凸面等があり、要求される配光により適宜、決定される。また、大底面４１には、照射面における照射ムラを回避するため、拡散処理（例えば、サンドブラスト処理等）が施される場合もある。

上記の小底面４２のうち、凹面４４は、光源２に対面する入射前面４６と、光源２の側面に対向した入射円錐面４７と、から成る。入射前面４６は、光源２から放射された光を、直接的に大底面４１へ導くものである。また、入射前面４６の形状は、平面、凹面、凸面その他があり、要求される配光により、適宜、決定される。入射円錐面４７は、光源２から放射された光を、屈折により全反射させた後に大底面４１へ導くものである。光源２から放射され、入射前面４６又は入射円錐面４７から第１の光学部材４内に進入し大底面４１へと導かれる光を図１（ｂ）の実線矢印Ｌ１に示している。

第２の光学部材５は、複数の第１の光学部材４の各々を架橋して連結させるものであって、基板３上に所定間隔で配列された複数の光源２の配置に合わせて、それらの上方に、第１の光学部材が基板３に対して近接又は搭載されるように、その位置を決定し、支持するものである。第２の光学部材５は、第１の光学部材４の外郭面４３の上部に対向しており、外郭面４３の上部から、レンズ中心より外方に延出することにより成る。第２の光学部材５の材料は、必ずしも第１の光学部材と同じ材料である必要はなく、光を通さない不透過材質でもよい。また、第２の光学部材５は、第２の光学部材５を更に外側に延長して、その先を固定することにより支持される。なお、第１の光学部材４と第２の光学部材５とは接着剤６により固定される。

上記の第１の光学部材４と第２の光学部材５とが接していて、互いに同じ屈折率の材質から成るものであれば、図６において示す点線矢印Ｌ２と同様、第１の光学部材４の中に導かれてきた光の一部が、第１の光学部材４と第２の光学部材５とが交差する面で屈折することなく第２の光学部材５中に入進し、所定の方向へ制御されず迷光となって喪失されたり、所定の方向とは異なる角度に光が出射され、使用者にまぶしさを感じさせるような場合がある。

しかし、第１の光学部材４と第２の光学部材５とが接していて、互いに異なる屈折率の材質から成るものであれば、これらの屈折率の差によって、第１の光学部材４と第２の光学部材５とが交差する面が、この面に到達した光の反射面４０となる。これにより、図１（ｂ）の点線矢印Ｌ２に示されるように、第１の光学部材４中に導かれてきた光の一部が、この反射面４０で屈折して、大底面４１に略直行する方向に照射される。なお、本実施形態では、例えば、第１の光学部材４にはアクリル樹脂が、第２の光学部材５には第１の光学部材４よりも屈折率の低いポリエチレン樹脂が用いられる。これにより、反射面４０に到達した光を、大底面４１に略直行する方向へと屈折させることができる。

上記構成の発光装置１は、第１の光学部材４の外郭面４３の上部外方へと到達した光が、反射面４０により反射されて、大底面４１に略直交する方向に照射されるため、反射面４０が構成されていないときには利用されなかった光をも有効光とすることができ、発光装置としての十分な輝度を得られる。また、反射面４０は、第１の光学部材４の外郭面４３と、第１の光学部材４よりも屈折率が低く、安価な材質から成る第２の光学部材５と、を接触させることにより構成することができ、第１の光学部材４の外郭面４３に金属を蒸着させる等の方法よりも安価に反射面を構成することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る発光装置１について、図２を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、上記第１の実施形態における第１の光学部材４の外郭面４３と第２の光学部材５との間に若干の隙間を設け、この隙間に空気層７が形成されたものである。第１の光学部材４と空気層７との屈折率の差によって、第１の光学部材４の外郭面４３と空気層７の接する面が反射面４０となり、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、反射面４０を構成するために空気を用いたことにより、生産コストを抑制することができる。なお、上記の隙間にエアロゲルを充填して、第１の光学部材４の外郭面４３と第２の光学部材５との間に真空層を形成することにより反射面４０を構成することもできる。

また、上記第２の実施形態に係る発光装置１の変形例について、図３を参照して説明する。この変形例は、上記第２の実施形態において、第１の光学部材４の外郭面４３と第２の光学部材５との間に設けられた隙間に、第１の光学部材４又は第２の光学部材５とは別の部材８（別部材という）を挟み込んだものである。この別部材８の表面が、光の波長以上の荒さを有していれば、上記の空気層７と同様に、十分な反射が起き、第１の光学部材４の外郭面４３と別部材８の接する面が反射面４０となり、上記と同様の効果を得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る発光装置１について、図４を参照して説明する。本実施形態の発光装置１は、上記第１及び第２の実施形態における第２の光学部材５を第１の光学部材４の大底面４１の外周辺から延出して、第１の光学部材４の大底面４１の外周辺と接触する接触部分５１と、反射面４０により仕切られて第１の光学部材４には接触しない非接触部分５２と、を有し、接触部分５１は、第１の光学部材４と一体となっているものである。

上記構成の発光装置１は、第１の光学部材と接する部分５１（接触部分という）及び接しない部分５２（非接触部分という）を形成して成る第２の光学部材５を第１の光学部材４の大底面４１の外周辺の上から嵌合させることにより、第１の光学部材４と第２の光学部材５の接触部分５１とを一体化させて形成することができる。そのため、第１の光学部材４と第２の光学部材５の非接触部分５２の間に隙間、すなわち反射面４０が形成され、かつ、第１の光学部材４の位置決め、支持を的確に行うことができる。また、第１の光学部材４と第２の光学部材５との固定及び反射面４０の作成を同時に行うことができ、発光装置１全体の生産コストを更に抑制することができる。

本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、上記第２の実施形態において、第１の光学部材４と第２の光学部材５との間に挟み込まれる別部材８が接着性の樹脂であって、上記の接着剤６を用いることなく第１の光学部材４と第２の光学部材５とを固定してもよい。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発光装置の斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。本発明の第２の実施形態に係る発光装置における第１の光学部材と第２の光学部材とが交差する部分の拡大断面図。同上発光装置の変形例を示す図。本発明の第３の実施形態に係る発光装置における第１の光学部材と第２の光学部材とが交差する部分の拡大断面図。（ａ）は従来の単一の光源を備えた発光装置の斜視図、（ｂ）は同装置の断面図。従来の複数の光源を備えた発光装置の断面図。

符号の説明

１発光装置
２光源
３基板
４第１の光学部材
４０反射面
４１大底面
４２小底面
４３外郭面
４４凹面
５第２の光学部材
５１接触部分
５２非接触部分
７空気層
８別部材

Claims

複数の光源と、前記光源が搭載された基板と、前記基板の法線を軸とした大底面と小底面とを有する回転体の外郭を成して、小底面に設けられた凹面が前記光源から出射される光の入射面となり、該光を屈折させて所定方向へ放射させる第１の光学部材と、前記基板上に配列された前記複数の光源の配置に合わせて複数の前記第１の光学部材の位置を決定し、これらを支持するため、前記第１の光学部材の少なくとも外郭面上部に対向すると共に、該外郭面上部より外方に延出して成る第２の光学部材と、を有する発光装置であって、
前記第１の光学部材の外郭面における前記第２の光学部材と対向する面が反射面であることを特徴とする発光装置。
前記反射面は、前記第１の光学部材の外郭面と前記第１の光学部材の屈折率よりも小さな屈折率の材質とが接することにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記反射面は、前記第１の光学部材の外郭面と空気層とが接することにより構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光装置。
前記第２の光学部材は、前記第１の光学部材の大底面の外周辺より外方に延出して前記第１の光学部材に接する接触部分と、前記反射面により仕切られて前記第１の光学部材に接しない非接触部分と、を有し、
前記接触部分は、第１の光学部材と一体となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発光装置。