JP5213261B2

JP5213261B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5213261B2
Application number: JP2009077388A
Authority: JP
Inventors: 和雄吉田; 秀雄宮城
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: JP2010231976A

Description

本発明は、発光素子による照射光を液晶レンズにより配光し、所定の照明領域を光照射する照明装置に関する。

従来から、この種の照明装置として、液晶層を挟んで対向する透明な対向電極を複数対、有し、それらが略同心円状に配設された液晶レンズを備えた照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この照明装置において、対向電極は対毎に印加電圧を制御することにより、液晶層の各部位毎に液晶分子の配向を調整して屈折率を制御し、このようにして液晶層を凸レンズとして機能させる。

ところで、発光素子の数を複数とし、各発光素子に対応して液晶レンズを設け、各発光素子による照明光を各液晶レンズによりそれぞれ配光して所定の照明領域に集光したいとの要請がある。しかしながら、これらの液晶レンズとして特許文献１に記載のものを用いる場合、各発光素子又は液晶レンズの向きを調整する必要が生じ、それらの配置が制限されるという問題がある。

特開２００５−３１７８７９号公報

本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、複数の発光素子による照射光を、各発光素子に対応して設けた液晶レンズによりそれぞれ配光し、所定の照明領域に集光する照明装置において、発光素子又は液晶レンズの配置制限を緩和することができる照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、複数の発光素子による照射光を、各発光素子に対応して設けた液晶レンズによりそれぞれ配光し、所定の照明領域に集光する照明装置において、各液晶レンズは、互いに対向する透明基板と、それら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、液晶層に電圧を印加してレンズ機能を持たせる透明な対向電極部と、を有し、前記対向電極部の各々は、互いに大きさが異なり、かつレンズ前面から見て相似形状に形成された複数の帯状電極で構成され、大きい帯状電極が小さい帯状電極を囲うように配設されており、これら帯状電極は、照明領域の方向に応じて、同心状に又はそれらの中心位置が変位するように形成されているものである。

請求項１の発明によれば、各発光素子による照射光をそれぞれ配光する各液晶レンズの帯状電極が照明領域の方向に応じて形成されているので、それらの照射光を照明領域に集光することができる。従って、照明領域に集光するために各発光素子又は液晶レンズを照明領域の方向に向けて配置することは必ずしも必要ではなくなり、このため、発光素子又は液晶レンズの配置制限を緩和することができる。

本発明の一実施形態に係る照明装置の斜視図。上記装置の分解斜視図。上記装置が備えた３組の発光部及び液晶レンズのうちの１組の断面構成図。（ａ）は上記液晶レンズの対向電極部の斜視図、（ｂ）はその対向電極部の平面図。上記液晶レンズの対向電極部及び制御回路の回路構成図。上記液晶レンズの各部位への印加電圧と各部位の実効複屈折率とを示す図。（ａ）は上記装置の各液晶レンズの電極パターンを示す斜視図、（ｂ）はそれらの電極パターンを示す底面図。上記装置による照明領域を示す平面図。上記実施形態の一変形例に係る照明装置の斜視図。上記装置の分解斜視図。（ａ）は上記装置の各液晶レンズの電極パターンを示す斜視図、（ｂ）はそれらの電極パターンを示す底面図。

以下、本発明の一実施形態に係る照明装置について図面を参照して説明する。図１及び図２は、本実施形態の照明装置の構成を示す。この照明装置１は、天井Ｃ１の埋込孔Ｃ２に埋め込まれる天井埋込型の照明装置である。照明装置１は、埋込孔Ｃ２に取り付けられる装置筐体２と、装置筐体２に収容された３個の発光部３ａ、３ｂ、３ｃと、発光部３ａ〜３ｃにそれぞれ対応して設けられた液晶レンズ４ａ、４ｂ、４ｃと、液晶レンズ４ａ〜４ｃを保持する透明基板５とを備え、発光部３ａ〜３ｃによる照射光を、液晶レンズ４ａ〜４ｃによりそれぞれ配光し、装置下方の所定の照明領域Ａ１に集光する。

発光部３ａ〜３ｃは、底面視で円周上に互いに等間隔に配置されており、それぞれ、装置筐体２下面に略円状の照明口３１ａ〜３１ｃを有する。照明領域Ａ１は、発光部３ａ〜３ｃの略中央、すなわち、それらが形成する円Ｃ３の略中心Ｃ４から垂下した軸Ｌ１上に在る。発光部３ａ〜３ｃの配置は上記に限定されない。

液晶レンズ４ａ〜４ｃは、発光部３ａ〜３ｃと位置を合わせて配置されており、平面視で略円状であって、照明口３１ａ〜３１ｃをそれぞれ塞いでいる。液晶レンズ４ａ〜４ｃは、それぞれ、発光部３ａ〜３ｃによる照射光を照明領域Ａ１へ向けて斜めに配光している。

透明基板５は、液晶レンズ４ａ〜４ｃそれぞれの周縁を保持し、装置筐体２の下面に取り付けられている。この取り付けの際、発光部３ａ〜３ｃと液晶レンズ４ａ〜４ｃとの位置がずれることを防止するため、装置筐体２は略四角柱状の突起部２１を有し、透明基板５は突起部２１が係合される切欠部５１とを有する。

次に、発光部３ａ〜３ｃ及び液晶レンズ４ａ〜４ｃのうち、代表して発光部３ａ及び液晶レンズ４ａについて図３〜図６を参照して説明する。発光部３ｂ、３ｃ及び液晶レンズ４ｂ、４ｃは、発光部３ａ及び液晶レンズ４ａと同等の構成を有するので、図示及び説明は省略する。

図３及び図４（ａ）（ｂ）は、発光部３ａ及び液晶レンズ４ａの構成と、液晶レンズ４ａの電極部の構成とを示す。発光部３ａは、ＬＥＤチップ等で構成される発光素子３２と、発光素子３２の光を反射する反射板３３と、発光素子３を点灯制御する点灯回路３４とを備える。反射板３３は、傘状であり、その下部に照明口３１ａを有する。発光素子３２は、反射板３３の頂部に配置されている。

液晶レンズ４ａは、互いに対向する透明基板４１と、これら透明基板４１の間に液晶材を封じ込めるためのシール材４２と、透明基板４１の間に封入された液晶材から成る液晶層４３と、液晶層４３を上下に挟み、液晶層４３の各部に電圧を印加してレンズ機能を持たせる透明な対向電極部４４と、対向電極部４４による印加電圧を制御する制御回路４５と、を備える。対向電極部４４は、液晶層４３各部への電圧印加により、液晶層４３の各部位毎に液晶分子４３ａの配向を調整して屈折率を制御し、これにより、液晶層４３を凸レンズとして機能させる。透明基板４１は、例えばガラス製又は透明樹脂製等とする。発光素子３２、点灯回路３４、対向電極部４４、及び制御回路４５への電源供給は商用電源から行われる。点灯回路３４及び制御回路４５は装置筐体２の適宜の位置に取り付けられる。

液晶層４３の上側と下側の対向電極部４４の各々は、中心電極４６と複数の帯状電極４７とで構成されており、これら電極４６、４７はそれぞれ上下に対向している。中心電極４６は略円盤状であり、帯状電極４７は中心電極４６の外周を囲うように例えば５本、設けられている。これら帯状電極４７は、互いに大きさが異なり、液晶レンズ４ａの前面、すなわち、光出射面側から見て略Ｃ字の相似形状に形成され、大きい帯状電極４７が小さい帯状電極４７を囲うように、すなわち、年輪状に配設されている。電極４６、４７はそれぞれ、上側のものと下側のものとが同じ形状である。電極４６、４７の形状は上記に限定されない。帯状電極４７の数は上記に限定されない。

電極４６、４７は、照明領域Ａ１の方向に応じて、それらの中心位置が変位するように形成されている。電極４６、４７の中心位置は互いに異なり、外周のものから順に一方向にずれている。ちなみに、図４（ｂ）において右側が、図１及び図２における液晶レンズ４ａ〜４ｃの配置の中心寄りとなる。

また、対向電極部４４の各々は、帯状電極４７のＣ字の切欠部分に引出電極４８を有し、引出電極４８は各電極４６、４７と制御回路４５とを繋ぐ。各電極４６、４７による印加電圧は、制御回路４５により独立して制御される。各電極４６、４７はＩＴＯ透明導電膜により構成でき、それらの間には絶縁部材が配設されている。各電極４６、４７の上側と下側のものはそれぞれ、互いに対向する面に配向膜を有し、それらの配向膜は電圧無印加状態で液晶分子４３ａの主軸を略水平又は僅かに斜めとする。

図５は、液晶レンズ４ａの対向電極部４４及び制御回路４５の回路構成を示す。同図には、対向電極部４４のうち、液晶層４３の上側に配置されたものだけを図示している。各電極４６、４７の電位は、中心電極４６の電位が最低とされ、帯状電極４７の電位は外周へ向かうに連れて高まり、最外周の帯状電極４７の電位が最高とされている。ここで、電極４６、４７から引き出された引出電極４８を、引出元である中心電極４６から最外周の帯状電極４７の順に、引出電極４８ａ〜４８ｅと称する。

制御回路４５は、可変電圧源４５ａと、可変電圧源４５ａの出力電圧が両端に印加され、引出電極４８ａ〜４８ｅが接続される分圧抵抗器４５ｂとで構成される。可変電圧源４５ａの一出力端子は、基準電位とされた基準接点４５ｃに接続されている。引出電極４８ａは基準接点４５ｃと接続され、引出電極４８ｂ〜４８ｅはそれぞれ、分圧抵抗器４５ｂの所定の点に接続されて、上述の電位に設定されている。液晶層４３下側の各電極４６、４７は共通して基準接点４５ｃに接続されている。

上述の回路構成により、各電極４６、４７による印加電圧は、中心電極４６によるそれが最小となり、帯状電極４７によるそれは外周へ向かうに連れて大きくなり、最外周の帯状電極４７による印加電圧が最大とされている。ここで、各電極４６、４７による印加電圧を中心電極４６から順にＶ_１〜Ｖ_５という。

なお、可変電圧源４５ａは、交流電源又は直流電源のいずれでも構わない。また、各電極４６、４７の電位は予め設定されたままであっても、又は可変であってもよい。また、照明光の集光／拡散を切り替え可能とするため、可変電圧源４５ａは、不図示の操作部のユーザ操作に基づいて電圧印加をオン／オフ可能に構成されていてもよい。また、各電極４６、４７による印加電圧を上述の設定とする回路構成は上記に限定されない。

図６は、電極４６、４７による液晶レンズ４ａの各部位への印加電圧Ｖ（Ｖ_１〜Ｖ_５）と、各部位の実効複屈折率Δｎとの関係を示す。図６のグラフの横軸は液晶レンズ４ａの部位、縦軸は前記の各値である。実効複屈折率Δｎとは、液晶レンズ４ａを透過する光が常光と異常光とに分かれたときのそれらの光路差である。同図には、印加電圧Ｖの理想特性Ｌｖと、実効複屈折率Δｎの理想特性Ｌｎとを示す。

理想特性Ｌｎは、液晶層４３を、凸レンズとして、詳しくはレンズ厚が中心電極４６により挟まれた部位で最も厚く、周縁に向かうに連れて薄くなる凸レンズとして機能させる特性である。この特性において、Δｎは中心電極４６により挟まれた部位で最高であり、周縁に向かうに連れて放物線状に低下している。この理想特性Ｌｎは、照明光の焦点距離に応じて設定されている。

理想特性Ｌｖは、理想特性Ｌｎを実現するための印加電圧特性である。この特性において、印加電圧Ｖは、中心電極４６により挟まれた部位で略ゼロであり、周縁に向かうに連れて略１次関数状に高まっている。理想特性Ｌｖをこのような特性とするのは、実効複屈折率Δｎが、液晶分子４３ａの主軸が水平に近づくほど高くなり、主軸は印加電圧を下げるほど水平に近づくからである。従って、印加電圧Ｖが略ゼロであって液晶分子４３ａの配向が略水平となる、中心電極４６で挟まれた部位では、Δｎが最大となる。そして、外周へ向かうに連れて、印加電圧Ｖは漸進的に高まるので、液晶分子４３ａの主軸の向きは徐々に略垂直に近づき、Δｎは減少する。このようにして理想特性Ｌｖは理想特性Ｌｎを実現する。

印加電圧Ｖ_１〜Ｖ_５は、上記の理想特性Ｌｖに沿った値に設定されており、これにより、Δｎは理想特性Ｌｎに従った値を取る。従って、液晶層４３は、レンズ厚が中心電極４６により挟まれた部位で最も厚く、階段状ではあるが、周縁に向かうに連れて薄くなる凸レンズとして機能する。

図７（ａ）（ｂ）は、各液晶レンズ４ａ〜４ｃの対向電極部４４の電極パターンを示す。液晶レンズ４ａ〜４ｃの各電極４６、４７は、それらの中心位置が互い近づくように配置されている。この配置は、発光部３ａ〜３ｃが形成する円Ｃ３の略中心Ｃ４から垂下した軸上に照明領域Ａ１が在るからである。各電極４６、４７は外周のものから順に中心Ｃ４に近づき、中心電極４６が最も近づいている。このような配置により、各液晶レンズ４ａ〜４ｃは照明領域Ａ１に配光し、集光する。各電極４６、４７の中心位置の変位量は、照明領域Ａ１の方向に応じて予め設定されている。

図８は、照明装置１による照明領域Ａ１の形と照度分布とを示す。照明領域Ａ１は、液晶レンズ４ａ〜４ｃにより配光された３方向からの照明光でもって照明されており、それらの照明光による略円状の照明領域の一部が互いに重なって成る。照明領域Ａ１は、領域中央で最も明るく、外周へ向けて暗くなっている。照度変化は段階的であり、これは、各液晶レンズ４ａ〜４ｃが、階段状に厚みが変化した凸レンズとして機能することに起因している。

上記のように構成された照明装置１においては、各発光素子３１ａ〜３１ｃによる照射光をそれぞれ配光する各液晶レンズ４ａ〜４ｃの電極４６、４７が照明領域Ａ１の方向に応じて形成されているので、それらの照射光を照明領域Ａ１に集光することができる。従って、照明領域Ａ１に集光するために各発光素子３１ａ〜３１ｃ又は液晶レンズ４ａ〜４ｃを照明領域Ａ１の方向に向けて配置しなくても済む。このため、発光素子３ａ〜３ｃ又は液晶レンズ４ａ〜４ｃの配置制限を緩和することができる。また、発光素子３１ａ〜３１ｃによる照明光を液晶レンズ４ａ〜４ｃによりそれぞれ照明領域Ａ１に集光することができるので、演出性の有る照明を行うことができる。

次に、本実施形態の一変形例に係る照明装置について図面を参照して説明する。図９及び図１０は、本変形例の照明装置１の構成を示す。本変形例においては、発光部３ａ〜３ｃ及びそれらに対応する液晶レンズ４ａ〜４ｃが、底面視で直線状に互いに等間隔に配置されている。それらによる照明領域Ａ１は、３個の円が直線状に重なって並んだ細幅のライン状であり、発光部３ｂ及び液晶レンズ４ｂの真下に位置し、詳しくは照明口３１ｂの略中心の真下に在る。液晶レンズ４ｂは、発光部３ｂによる照射光を、真下に配光し、液晶レンズ４ｂの両側に在る液晶レンズ４ａ、４ｃは、それぞれ、発光部３ａ、３ｃによる照射光を照明領域Ａ１へ向けて斜めに配光する。

図１１（ａ）（ｂ）は、本変形例の液晶レンズ４ａ〜４ｃの各々の対向電極部４４の電極パターンを示す。液晶レンズ４ｂの電極４６、４７は、照明領域Ａ１の方向に応じて、同心状に形成されている。液晶レンズ４ａ、４ｃの各電極４６、４７は、それらの中心位置が液晶レンズ４ａの方向に変位するように配置されている。液晶レンズ４ａ、４ｃの各電極４６、４７は外周のものから順に液晶レンズ４ａに近づき、中心電極４６が最も近づいている。上記のように構成された本変形例においても、上記実施形態と同等の効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、照明装置１は、天井取付型に限定されず、壁取付型であってもよく、照明装置１を取り付ける部材及びその取付技法は特に限定されない。また、液晶レンズ４ａ〜４ｃの対向電極部４４の電極パターンは、それぞれ、液晶層４３が凹レンズとして機能して、発光部３ａ〜３ｃによる照射光を拡散するように形成されていてもよい。また、液晶レンズ４ａ〜４ｃを、透明基板４１の替わりとして、互いに対向する１組の透明基板５を用いて構成し、透明基板５に挟まれた所定の箇所に形成されていてもよい。この場合、部品点数が減るので、コストの低減を図ることができ、また、組み立てが容易となる。

１照明装置
３ａ、３ｂ、３ｃ発光部
３１発光素子
４ａ、４ｂ、４ｃ液晶レンズ
４１透明基板
４３液晶層
４４対向電極部
４６中心電極
４７帯状電極
Ａ１照明領域

Claims

複数の発光素子による照射光を、各発光素子に対応して設けた液晶レンズによりそれぞれ配光し、所定の照明領域に集光する照明装置において、
各液晶レンズは、互いに対向する透明基板と、それら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、液晶層に電圧を印加してレンズ機能を持たせる透明な対向電極部と、を有し、
前記対向電極部の各々は、互いに大きさが異なり、かつレンズ前面から見て相似形状に形成された複数の帯状電極で構成され、大きい帯状電極が小さい帯状電極を囲うように配設されており、これら帯状電極は、照明領域の方向に応じて、同心状に又はそれらの中心位置が変位するように形成されていることを特徴とする照明装置。