JP5095000B1 - Led照明装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】LED照明装置10は、円環状に配置されたLED22と、LED22の配置に対応させて円環状に形成されたレンズ30と、レンズ30の周囲を囲う反射体40とを備えている。レンズ30には、LED22から前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面351および突条第1面351からの光を透過する突条第2面352と、LED22から内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面331と、内周側第1面331からの光を透過する内周側第2面332とが設けられている。反射体40は、突条第2面352からの光を前方へ反射する反射面が形成されている。
【選択図】図1
Description
例えば、特許文献1には、底面の環状溝、外周側の内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面、および内周側の内側面に入射された光を投光面側へ全反射させる全反射面を有する円環状レンズと、この円環状レンズの環状溝の周方向に所要の間隔をおいて配置された複数の発光ダイオード装置(LED)とを具備した発光ダイオード照明装置が記載されている。
この突条第1面と突条第2面とは突条部としてレンズに設けられているため、円環状に並べられたLEDの配置半径を変えずに、突出量を照明装置のサイズに応じて大きくすることで、反射体へ向けての照射範囲を広げることができる。
(実施の形態1)
まず、本発明の実施の形態1に係るLED照明装置を図1から図3に基づいて説明する。図1に示すLED照明装置10は、LED基板20と、レンズ30と、反射体40とを主要な構成としている。
ベース基板21には、LED22を直列接続するための配線パターン211が設けられている。また、ベース基板21の中心には、ねじ止用の貫通孔212が設けられている。
LED22は、この貫通孔212を中心とした円周上に、所定間隔ごとに配置されている。本実施の形態では、ベース基板21に12個のLEDが30°ごとに配置されている。
レンズ30には、中央部に、ねじを挿通させるためのガイド孔311が設けられている。レンズ30には、LED22からの光が進入する入射面と、レンズ30内を進行した光が出射する出射面および反射して進行方向を変更させる全反射面が設けられている。
まず、入射面であるが、レンズ30には、LED22を配置するための溝312が設けられており、入射面を構成している。この溝312は、内周側の壁面である入射第1面321と、外周側の壁面である入射第2面322と、LED22側に膨らむ底面となる入射第3面323とから構成されている。
LED22が配置される位置(溝312の位置)を基準にしてレンズ30の内周側には、内周側の壁面である入射第1面321の基端から中心に向かって傾斜する内周側第1面331と、中心軸Oと直交する仮想面と平行となる内周側第2面332とによる内周部33が設けられている。
レンズ30の外周側には、前方へ向かうに従って中心軸Oからの距離が徐々に短くなり、かつ外周方向に膨らむ円弧面により形成された外周側第1面341による外周部34が設けられている。また、レンズ30の内周側と外周側との間の中央部には、突条第1面351と突条第2面352とにより稜線が円形状となり、内周側第2面332より前方に位置する突条部35が設けられている。
バッフル部403は、リング状の凹凸を持ち、黒色または白色塗装されている。バッフル部403は、黒色塗装されていれば、光を反射させず吸収し、白色塗装されていれば、光を拡散反射させることができる。
LED22から内周方向へ向かう光は、入射第1面321よりレンズ30に入射して、内周側第1面331へ進行する。内周側第1面331は、LED22からの光を中心軸Oと平行な光に全反射するように形成されているため、LED22からの光は内周側第1面331にて全反射して前方へ向かう光となる。内周側第1面331により全反射した光は内周側第2面332をそのまま透過して前方へ向かう。このように、内周部33は、LED22から内周方向へ向かう光を前方へ向かう中心軸Oと平行な光とすることができる。
反射体40では、突条第2面352からの光を中心軸Oと平行な光に反射するように形成されているため、突条第2面352からの光は周壁部402にて反射して前方へ向かう光となる。このように、突条部35は、LED22から前方へ向かう光をLED22から離れた位置から前方へ光を配光させることができる。
また、反射体40は、中心軸Oに平行な光に反射しておりスポット配光に適している。
本発明の実施の形態2に係るLED照明装置を図4および図5に基づいて説明する。なお、図4および図5においては、図1から図3と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図4および図5に示すLED照明装置11のレンズ30aは、外周部34aの外周側第1面341aが、前方へ向かうに従って中心軸Oからの距離が徐々に長くなり、かつ外周方向に膨らむ円弧面により形成されている。この外周側第1面341aにより、LED22から入射第2面322に入射した光を、全反射して前方へ向かう光とすることができる。
外周部34aにLED22からの光を全反射する外周側第1面341aが設けられたことにより、反射体41の底部411は底板の周縁に周壁が立設された円形トレイ状とすることができ、周壁部402は底部411の周壁の先部から設けられている。
本発明の実施の形態3に係るLED照明装置を図6および図7に基づいて説明する。なお、図6および図7においては、図1から図5と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図6および図7に示すLED照明装置12のレンズ30bは、外周部34aの外周側第1面341aの最外周端より、突条部35の突条第2面352が外周側に位置していることで、外周側第1面341aにより全反射した前方へ向かう光が突条部35内を進行するようにしている。従って、外周側第1面341aにより全反射した光は、突条第1面351に全反射して外周方向へ向かう光となる。
また、突条第1面351の基側(内周側)にてLED22から前方へ向かう光を全反射し、突条第1面351の先側(外周側)にて外周側第1面341aが全反射した光を全反射しているので、反射体41のそれぞれ違う範囲を重ならず照射することができる。従って、反射体41の傾斜角度を設計するに当たり、それぞれ光が到達する位置で検討することができるため、反射体41の設計を容易とすることができる。
本発明の実施の形態4に係るLED照明装置を図8および図9に基づいて説明する。なお、図8および図9においては、図1から図7と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図8および図9に示すLED照明装置13のレンズ30cは、外周部34bの外周側第1面341bが、透過面と全反射面とから形成されている。また、反射体42の底部421の周壁は、反射面として機能させるために、前方へ向かうに従って徐々に開口面積が広くなるような傾斜面に形成されており、この底部421の周壁の先端から開口度合いが広くなった周壁部402が設けられている。
外周側第1面341bの透過面3411を透過した光は、突条第1面351からの光より反射体42の底部421の周壁で反射されることで、周壁部402により反射する突条第1面351からの光と照射範囲が重ならずに、前方へ向かう光となる。従って、反射体42の傾斜角度を設計するに当たり、それぞれ光が到達する位置で検討することができるため、反射体42の設計を容易とすることができる。
また、反射体42の周壁部402は、突条第2面352からの光を反射させるだけでよいので、反射体42のサイズを図1に示す反射体40よりコンパクトに形成することができる。
本発明の実施の形態5に係るLED照明装置を図10および図11に基づいて説明する。なお、図10および図11においては、図1から図9と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図10および図11に示すLED照明装置14のレンズ30dには、外周側第1面341bが全反射した光を透過する外周側第2面342bが突条部35aの先端に設けられている。この外周側第2面342bの幅を、外周側第1面341bが全反射する照射範囲以上とすることで、外周側第1面341bが全反射した前方へ向かう光を、そのまま前方へ出射することができる。
本発明の実施の形態6に係るLED照明装置を図12および図13に基づいて説明する。なお、図12および図13においては、図1から図11と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図12および図13に示すLED照明装置15のレンズ30eは、突条第2面352aへ向けて全反射する外周部34cの外周側第1面341cと、突条第1面351からの外周方向へ向かう光を透過しつつ、外周側第1面341cからの光を前方へ屈折させる突条部35bの突条第2面352aとを備えている。そして、レンズ30eでは、LED22からの光を、前方に位置する突条第1面351だけでなく、外周方向へ向けて進行させるために、入射第3面323aが内周側から外周側へ向かうに従って徐々にLED22と入射第3面323aと間の隙間が狭くなるように形成されている。
本発明の実施の形態7に係るLED照明装置を図14および図15に基づいて説明する。なお、図14および図15においては、図1から図13と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図14および図15に示すLED照明装置16のレンズ30fは、LED22から外周方向へ向かう光を内周方向へ全反射する外周部34dの外周側第1面341dと、LED22から前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、外周側第1面341dからの光を前方へ屈折させる突条部35cの突条第1面351aとを備えている。
本発明の実施の形態8に係るLED照明装置を図16から図19に基づいて説明する。なお、図16から図19においては、図10および図11と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図16に示すLED照明装置のレンズ30gは、図10に示す実施の形態5に係るレンズ30dの突条第2面352と、内周側第2面332と、外周側第2面342bと、外周側第1面341bの透過面3411との全ての出射面に、凹凸を形成したものである。
レンズ30gの突条第2面352bと内周側第2面332aと外周側第2面342cと外周側第1面341bの透過面3412とには、出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸が形成されている。このような凹凸を形成することで、図16および図17に示すように、出射面にて光を広げて照射できるので、レンズ30gを広角配光に適したものとすることができる。
このレンズ30hでは、突条第2面352cと内周側第2面332bと外周側第2面342dと外周側第1面341bの透過面3412とには、出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸が形成されている。このような凹凸としても、図18および図19に示すように、出射面にて光を広げて照射できるので、レンズ30hを広角配光に適したものとすることができる。
特に、レンズ30hの突条第2面352cと内周側第2面332bと外周側第1面341bの透過面3412の凹凸面は、図16に示すレンズ30gの突条第2面352bと内周側第2面332aと外周側第1面341bの透過面3412の凹凸面と比較して、凸部のピッチを細かく形成できるため、より効果的に出射光を広げて照射することができる。
本発明の実施の形態9に係るLED照明装置を図20から図22に基づいて説明する。なお、図20から図22においては、図1から図19と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態1〜7に係るLED照明装置10〜16は、鏡面とした平坦面の反射体40〜42の反射面によりレンズからの光を中心軸Oと平行な光として鏡面反射するものであるが、図20から図22に示すLED照明装置の反射体43〜45は、レンズ30jからの光を広げた光として反射するものである。
また、レンズ30jの各出射面(突条第2面352c,内周側第2面332b)には出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸が形成されている。
また、実施の形態1〜9に係るLED照明装置について、配光曲線のシミュレーションも行った。ここで配光曲線とは、光束1000lmの光源を使用した場合における、光軸からの角度とその角度方向の光度をプロットしたものである。また、実施の形態1に係るLED照明装置10については、発光状態の画像化のシミュレーションも行った。
配光曲線のシミュレーションにおいては、LED22を実際のLEDに極力近づけるため、点光源ではなく、微小な面積を持たせ、また、実際の配置に置いてモデル化している。具体的には、2.6mm×1.0mmの微小面積を持つ光源を、図2のLED22の位置に12個配置している。
図24は、こうしてモデル化した図2のLED基板単体での配光曲線のシミュレーション結果で、正円状に前方にのみ配光される一般にランバート分布と呼ばれる配光結果が得られている。
図25は図2のLED基板単体の発光状態をシミュレーションにより画像化したものである。12個のLEDがほぼ点光源として発光している画像が得られるが、LEDの粒々感がはっきり感じられ、発光面積も非常に小さく眩しいものとなっているのがわかる。
実施例1では、実施の形態1に係るLED照明装置10(図1参照)について、光線追跡のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図26から図31に示す。
図26に示す「0°」では、図1に示す軌跡と同じものが得られた。図27(A)および同図(B)に示す「15°」では、図1に示す軌跡より広がりのある軌跡となっているが、ずれは微小である。突条第1面351により全反射して突条第2面352から出射した光は、反射体40の反射面へ扇状に広がりながら進行している。
また、実施の形態1に係るLED照明装置10(図1参照)について、発光状態を画像化するシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図33に示す。図33に示すシミュレーション結果と、図25に示す12個のLEDを配置したLED基板単体のシミュレーション結果とを比較して判るとおり、反射体により発光面積が広く大幅に増加している。また、レンズの発光面に僅かにLEDの粒々感が残るが、反射体の発光はほぼ均一で、LEDの粒々感はほとんど感じられない。
実施例2から7では、実施の形態2から7に係るLED照明装置11〜16(図4,図6,図8,図10,図12,図14参照)について、光線追跡のシミュレーションを行った。光線追跡のシミュレーション結果を、図34から図39に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図34から図39に示すシミュレーション結果から、LED照明装置11〜16の軌跡と同様の軌跡が得られたことがわかる。
実施の形態3に係るLED照明装置12の配光曲線のシミュレーション結果である図41は、実施の形態1に係るLED照明装置10のシミュレーション結果である図32と同様のスポット配光が得られており、その他は、スポット配光の程度に差はあるが、いずれも細長いきれいな配光曲線で、軸上光度も図24の10倍以上になっており、良好なスポット配光が得られている。
実施例8では、実施の形態8に係るLED照明装置について、光線追跡のシミュレーションを行った。レンズとしては図16に示すレンズ30gをモデル化し、反射体としては図10に示す実施の形態5に係るLED照明装置の反射体42をモデル化して使用している。光線追跡のシミュレーション結果を、図46に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図46に示す光線追跡のシミュレーション結果から、レンズ30g(図17参照)の出射面に形成された凹凸により光が広がって出射されており、反射体42(図10参照)により反射された光も広がっているのがわかる。
また、実施の形態8に係るLED照明装置の配光曲線のシミュレーションを行った。配光曲線のシミュレーション結果を図47に示す。図47では、軸上光度は1900cdとLED基板(図2参照)単体での配光曲線のシミュレーション結果(図24参照)の6倍程度で、スポット配光から少し広がった配光が得られているのがわかる。
実施例9では、実施の形態9に係るLED照明装置についてシミュレーションを行った。レンズと反射体は図20に示すものをモデル化して使用した。光線追跡のシミュレーション結果を、図48に示す。なお、これらのシミュレーションは、図23に示す仮想直線Lとの傾斜角度が0°のものである。
図48に示す光線追跡のシミュレーション結果から、レンズ出射面に形成された凹凸により光が広がって出射されており、反射体により反射された光は、反射体表面に形成された凹凸で更に広がって反射されているのがわかる。
また、実施の形態9に係るLED照明装置の配光曲線のシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図49に示す。軸上光度は1400cdとLED基板(図2参照)単体での配光曲線のシミュレーション結果(図24参照)の4.4倍程度で、スポット配光から広がった広角配光が得られているのがわかる。
20 LED基板
21 ベース基板
211 配線パターン
212 貫通孔
22 LED
23 コネクタ
30,30a〜30j レンズ
311 ガイド孔
312 溝
321 入射第1面
322 入射第2面
323,323a 入射第3面
33 内周部
331 内周側第1面
332,332a,332b 内周側第2面
34,34a〜34d 外周部
341,341a〜341d 外周側第1面
3411,3412 透過面
342a〜342d 外周側第2面
35,35a〜35c 突条部
351,351a 突条第1面
352,352a〜352c 突条第2面
40〜45 反射体
401,411,421 底部
402,432,442,452 周壁部
403 バッフル部
O 中心軸
r 配置半径
Claims (11)
- 円環状に配置されたLEDと、前記LEDの配置に対応させて円環状に形成されたレンズと、前記レンズの周囲を囲う反射体とを備え、
前記レンズは、
前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射する突条第1面および前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過する突条第2面が設けられた突条部と、
前記LEDから内周方向へ向かう光を前方へ全反射する内周側第1面および前記内周側第1面から前方へ向かう光を透過する内周側第2面が設けられた内周部とを備え、
前記反射体は、前記突条第2面から透過した光を前方へ反射する反射面を備えたことを特徴とするLED照明装置。 - 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を前方へ全反射する外周側第1面を備えた請求項1記載のLED照明装置。
- 前記レンズは、前記外周側第1面から前方へ向かう光を透過する外周側第2面を備えた請求項2記載のLED照明装置。
- 前記外周側第2面に、凹凸が形成されている請求項3記載のLED照明装置。
- 前記突条第1面は、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を外周方向へ全反射する請求項2記載のLED照明装置。
- 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を前記突条第2面へ向けて全反射する外周側第1面を備え、
前記突条第2面は、前記突条第1面からの外周方向へ向かう光を透過しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させる請求項1記載のLED照明装置。 - 前記レンズは、前記LEDから外周方向へ向かう光を内周方向へ全反射する外周側第1面を備え、
前記突条第1面は、前記LEDから前方へ向かう光を外周方向へ全反射しつつ、前記外周側第1面からの光を前方へ屈折させる請求項1記載のLED照明装置。 - 前記反射体は、反射面が鏡面とした平坦面に形成され、前記レンズからの光を前記レンズの中心軸と平行な光として反射する請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
- 前記反射体は、反射面が前記レンズからの光を拡散反射する請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
- 前記反射体は、反射面全体が基端から先端にかけてレンズ側に膨らんだ鏡面の円弧面か、反射射面が出っ張った円弧面による凸部と窪んだ円弧面による凹部とが連続した微小な凹凸か、または反射射面が出っ張った円弧面による凸部が連続した微小な凹凸により形成されている請求項1から7のいずれかの項に記載のLED照明装置。
- 前記突条第2面または前記内周側第2面のいずれか一方、または両方に、凹凸が形成されている請求項1から10のいずれかの項に記載のLED照明装置。
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