JP5635495B2 - 光源モジュール及び面状発光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば街路灯やスポットライト等の照明機器の光源に用いられる光源モジュール及び面状発光装置に係わり、特に、光束の利用効率を高めることができる光源モジュール及び面状発光装置に関する。
従来、例えば街路灯やスポットライト等の照明機器は、点光源である発光ダイオード光源(以下、「LED光源」という。)の高出力化が可能になり、照明に使用可能な所望の照度が得られるようになってきたことから、LED光源が白熱電球や蛍光灯に代わる光源として多用されてきている。
この種のLED光源を照明に使用する一例としては、例えばLED光源からの照明光束を略平行化する反射鏡部材を備えた照明装置がある(例えば、特許文献1参照。)。
特開2008−310984号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載された従来の照明装置は、LED光源から照明対象物に照射される光束が反射鏡部材に反射されて略平行光として出射されるとともに、反射鏡部材で反射されないでLED光源からの直接光として出射される構成となっている。そのため、LED光源から発する光束が、LED光源から照明対象物に至る光路中において分散してしまい、照射光束の光利用効率が低下するという問題点があった。その分散の度合いは、LED光源から照明対象物までの距離に応じて変化してしまうので、LED光源から出射される全ての光束を光学的に同一のパワーをもって照明対象物に照射させることは困難であるという問題点があった。
従って、本発明は上記従来の課題を解決すべくなされたものであり、その具体的な目的は、LED光源から照明対象物までの距離に左右されることなく、LED光源からの光束の利用効率を高めることを可能とした光源モジュール及び面状発光装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するため、LED光源と、前記LED光源から出射される光束を光軸方向に変換する光方向変換部材とを備え、前記光方向変換部材は、前記LED光源に対峙する光方向変換部を有してなり、前記光方向変換部は、前記LED光源の中心部から出射される中心光束を記光軸方向に出射する第1の出射部と、前記LED光源から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束を前記光軸方向に変換して出射する第2の出射部とを有し、前記第2の出射部は、前記光軸方向に直交する環状の面から構成された平面部と前記光軸方向に平行な環状の面から構成された壁面部とからなる段差を複数有することを特徴とする光源モジュールを提供する。
また、本発明は、上記目的を達成するため、複数の上記光源モジュールを取付板上に配置してなることを特徴とする面状発光装置を提供する。
本発明は、LED光源から照明対象物までの距離に左右されることなく、LED光源からの全ての光束を光学的に同一のパワーをもって照明対象物に有効に出射させることができる。
本発明に係る好適な第1の実施の形態である光源モジュールを模式的に示す平面図である。 光源モジュールの分解斜視図である。 光源モジュールの一構成部品の斜視図である。 図1の3A−3A線の矢視断面拡大図である。 図1の3B−3B線の矢視断面拡大図である。 図1に示す光源モジュールの出射光を説明するための図である。 光源モジュールの配置パターンの一例を模式的に示す図である。 光源モジュールの配置パターンの他の一例を模式的に示す図である。 光源モジュールの配置パターンの更に他の一例を模式的に示す図である。 図1に示す光源モジュールを用いた第2の実施の形態である照明機器を説明するための断面図である。
1 光源モジュール
2,3,111 ビス
10 光方向変換部材
11 平板部
12 側壁部
13 ケース部
14 取付ボス
14a 通孔
15 支持リブ
16 ピン
17 ビス取付ボス
20 光方向変換部
21 第1の出射部
22 第2の出射部
23 凹部
24 第1の入射面
25 第1の出射面
26 第2の入射面
27 反射面
28 第2の出射面
28a 平面部
28b 壁面部
30 回路基板
31,41,51 ビス挿通孔
32,42,52 ピン挿通孔
33,43,53 リード線挿通孔
34,44 取付スリット
40 放熱シート
50 放熱板
54 取付孔
60 LED光源
61 リード線
70 面状発光装置
100 照明機器
101 灯具本体
102 開口
103 筐体
104 灯具レンズ
105 蓋体
106 電源部
107 取付ユニット
108 取付ブラケット
109 取付板
110 ブラケット取付ボス
L1 第1の平行光
L2 第2の平行光
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
[第1の実施の形態]
(光源モジュール)
図1、図2A及び図3Aにおいて、全体を示す符号1は、光源モジュールの一構成例を模式的に示している。この光源モジュール1の基本構成は、光を光軸方向に略平行に変換する光方向変換部材10と、LED光源60を搭載した回路基板30と、回路基板30に接合される放熱シート40と、放熱シート40に接合される放熱板50とからなる4つの構成部材により主に構成されている。この光方向変換部材10、回路基板30、放熱シート40、及び放熱板50の各構成部材は3本のビス2,…,2により締付固定されることでユニット化される。
(光方向変換部材)
光源モジュール1の光方向変換部材10は、図1〜図3Bに示すように、正六角面を有する平板部11と、その平板部11の周辺方向に沿って相対向する側壁部12とからなるケース部13により構成されており、そのケース部13の断面が開断面構造をもつ正六角形状の殻体からなる。平板部11の裏面中心部には、通孔14aを有する円筒状の取付ボス14が垂直に立設されるとともに、正六角形をなす平板部11の六辺のうち、一辺おきに3本の円柱状のビス取付ボス17,…,17が垂直に立設されている。取付ボス14を中心とする同一円周上にあって平板部11の正六角形の頂点と対応する部位には、6つの茶碗状の光方向変換部20,…,20が設けられている。
ケース部13の側壁部12の内面には、図2A〜図3Bに示すように、回路基板30を支持する3本の四角柱状をなす支持リブ15,…,15が垂直に延設されている。この支持リブ15は、正六角形をなす平板部11の六辺のうち、3本のビス取付ボス17間の一辺に対応して配されている。支持リブ15の高さは側壁部12の高さよりも、やや低くなっている。取付ボス14の外面には、その軸線に沿って一対の円柱状のピン16,16が対向して延設されている。そのピン16の先端は取付ボス14から突出されており、光源モジュール1の取付時には、相手方の取付板に形成された通孔にピン16の先端を挿入することで方向変換部材10の自由回転が阻止されるようになっている。
この光方向変換部材10は、例えばPMMA(ポリメタクリル酸メチル)樹脂を射出成形することで形成される。光方向変換部材10の材質としては、PMMA樹脂に限定されるものではなく、例えばポリカーボネート、エポキシ、シリコーン等の透明樹脂、透明ガラス、又は着色された各種の透明材料を用いることができる。光方向変換部材10の光方向変換部20を除く表面は、表面研削処理、あるいはサンドブラスト処理等の加工手段により粗面化されることが好適である。その表面に塗膜、蒸着、メッキ(銀)などの反射膜を施すことで遮蔽性、外観意匠性や光取り出し性を向上させることもできる。
光方向変換部材10の遮蔽性や外観意匠性を向上させるための一構成例としては、図3A及び図4に示すように、光方向変換部20の第2出射部22における第2の出射面28を除く表面、例えば光方向変換部材10におけるケース部13の平板部11、及び取付ボス14の通孔14aの内周面を含む側壁部12に反射膜を施すことが好適である。
光方向変換部材10の光取り出し性を向上させるための一構成例としては、図3A及び図4に示すように、光方向変換部20の第2出射部22における第2の出射面28を除く表面、例えば光方向変換部材10のケース部13における取付ボス14の通孔14aの内周面を含む側壁部12、及びLED光源60を搭載する基板30の搭載面に反射膜を施すことが好適である。光方向変換部20から漏れた光を反射膜で反射させることで、反射した光を光方向変換部20に向かうように集光させ、光方向変換部20からの光取り出し効果を向上させることができる。これにより、光方向変換部材10における光の損失を低減し、輝度をより一層高めることができる。
(光方向変換部)
図4を参照すると、図4には光源モジュール1の出射光が模式的に示されている。光方向変換部材10の光方向変換部20は、回路基板30上に搭載されたLED光源60と対応する部位に配されており、LED光源60から放射される光束を光軸方向に略平行に変換する。
この光方向変換部20は、図4に示すように、LED光源60の中心部から放射される中心光束を第1の平行光L1として出射する第1の出射部21と、LED光源60から放射される中心光束の周辺部の周辺光束を第2の平行光L2として出射する第2の出射部22とを有している。図示例にあっては、光方向変換部20は、光軸を中心とした円形の照射面を例示するが、図示例に特定されるものではなく、例えば光方向変換部20の照射面は光軸を中心とした楕円形状であってもよい。
光方向変換部20の第1出射部21は、図4に示すように、出射側とは反対側に開放する円形の凹部23を有している。この凹部23の底面部には、出射側とは反対側に膨出した裁頭円錐形部の中心部に凸曲面形状を有する第1の入射面24と、出射側に膨出した扁平状の裁頭円錐形部の中心部に凹凸曲面形状を有する第1の出射面25とが形成されている。この第1入射面24は、LED光源60からの中心光束を屈折して入射する第1の屈折面とされる。一方の第1出射面25は、第1入射面24から屈折して入射された中心光束を屈折して光軸方向に略平行に出射する第2の屈折面とされている。第1及び第2屈曲面の曲率形状を設定することでLED光源60からの中心光束の出射方向を調整することができる。
一方、光方向変換部20の第2出射部22は、第1出射部21の凹部23の側面部に凹曲面形状を有する第2の入射面26と、光方向変換部20の外面に凸曲面形状を有する反射面27と、光方向変換部20の出射側に開放する凹部に階段形状を有する第2の出射面28とを有している。この第2入射面26は、LED光源60から第1出射部21の凹部23の側面部を介して出射される周辺光束を入射する。反射面27は、第2入射面26から出射される周辺光束を光軸方向に略平行に全反射する。第2出射面28は、反射面27で全反射した周辺光束を光軸方向に平行光として出射する。
光方向変換部20の形態は図示例に制限されるものではないが、図3A〜図4に示すように、出射方向に向けて次第に拡がる漏斗状に形成されている。この光方向変換部20の反射面27の形態としては、例えば等価的に回転2次曲面、回転放物面、あるいは回転双曲面のような湾曲形状の一部であってもよい。
光方向変換部20の第2出射面28は、図3A及び図4に示すように、平面部28a,…,28aと、その平面部28aに直交する壁面部28b,…,28bとからなる階段形状に形成されている。この平面部28aは光軸を中心として出射方向に漸次拡径する円環形状を有するとともに、同一幅寸法をもって形成されている。一方の壁面部28bは、光軸を中心として出射方向に漸次拡径する円環形状を有するとともに、出射方向に向けて次第に肉厚を薄く、かつ、小さい高さをもって形成されている。
この第2出射面28の階段数は図示例に限定されるものではないが、光方向変換部20の肉厚を薄く設定することが好適である。図示例では、光方向変換部20の肉厚は、光方向変換部材10の剛性を低下させ、第2出射面28の光学特性を不安定にさせない程度に薄く設定されている。これにより、射出成形時における樹脂のヒケやボイド等の発生を抑制することができるとともに、平滑性や外観意匠性に優れた製品を得ることができる。それに加えて、製品の軽量化や低コスト化を達成することができる。
(回路基板)
回路基板30は、図2Aに示すように、正六角面を有する薄板状に形成されており、例えばガラスエポキシ樹脂(FR4、CEM3)などの樹脂材料からなる。回路基板30の表面には、LED光源60が実装され、図示しない配線パターンがLED光源60の2本のリード線61,61と電気的に接続されている。そのリード線61は、他の光源モジュール1の回路基板30や電源部に接続される。
回路基板30の中心部には、図2A及び図2Bに示すように、光方向変換部材10の取付ボス14を介して挿通されるビス3のビス挿通孔31が穿設されている。そのビス挿通孔31の周辺部には、取付ボス14のピン16を挿通するピン挿通孔32,32が穿設されるとともに、リード線61を挿通するリード線挿通孔33,33が穿設されている。正六角形をなす回路基板30の六辺の外縁のうち、一辺おきにU字状に切欠された3つの取付スリット34,…,34が形成されている。その取付スリット34は光方向変換部材10のビス取付ボス17と対応して配されている。
(LED)
LED光源60は、例えば白色の樹脂材料により形成された略矩形状のパッケージの凹部内に収容されており、光方向変換部20の真下に配される。この凹部の底面には、外側に導出してなる同じく図示を省略した一対のリードと電気的に接続された青色光を発する青色LED素子が配される。青色LED素子はリードを介して回路基板30に実装される。パッケージの凹部内には封止樹脂が充填される。その封止樹脂は青色LED素子から発する青色光で励起されて黄色光を発する蛍光体を含有している。青色LED素子から発する青色光と蛍光体から発する黄色光との混合に基づいて白色光が出射する。
青色LED素子としては、例えば発光波長領域が450nm〜460nmであるGaN系半導体化合物からなるLED素子を用いることができる。蛍光体としては、例えば珪酸塩系の蛍光体、あるいはYAG蛍光体等のガーネット系蛍光体などを用いることができる。LED光源60の他の一例としては、青色LED素子に代えて、例えばR、G、Bの3色のLED素子を組み込むことにより各種のカラーの発光光を得ることができる。
(放熱体)
回路基板30の裏面にはLED光源60で発生した熱を外部へ放熱する放熱体が設けられる。その放熱体は、図2Aに示すように、放熱シート40及び放熱板50の2部材からなる。その放熱シート40及び放熱板50は、回路基板30と同一形状の正六角面を有する薄肉状に形成されている。図示例によれば、回路基板30と放熱板50との間に1枚の放熱シート40が挟み込み実装されている。この放熱シート40には、回路基板30のビス挿通孔31、ピン挿通孔32、リード線挿通孔33、及び取付スリット34と対応する部位にビス挿通孔41、ピン挿通孔42、リード線挿通孔43、及び取付スリット44が穿設されている。一方の放熱板50には、回路基板30のビス挿通孔31、ピン挿通孔32、リード線挿通孔33、及び取付スリット34と対応する部位にビス挿通孔51、ピン挿通孔52、リード線挿通孔53、及び取付孔54が穿設されている。
放熱シート40の材質としては、例えばアクリル系、ウレタン系、シリコーン系などの樹脂材が挙げられる。一方の放熱板50の材質としては、例えばアルミニウム、銅などの熱伝導性のよい金属材を使用することが好適である。LED光源60で発生した熱の一部は、回路基板30から放熱シート40及び放熱板50を介して相手方の取付板へと伝熱されることでLED光源60、及び光源モジュール1の内部空間などの温度上昇が抑制される。
(光源モジュールの配置)
図5A〜図5Cを参照すると、図5A〜図5Cには、外郭形態が正六角形を有する光源モジュール1をアレイ状に配置した一例が模式的に示されている。光源モジュール1の正六角形の配置パターンの一例としては、図5Aに示すように、正六角形の一辺を互いに重ね合わせて一列に集合させた配置形態が挙げられる。光源モジュール1の正六角形の配置パターンの他の一例としては、図5Bに示すように、正六角形の一辺を互いにハニカム状に重ね合わせて略円形状に集合させた配置形態、あるいは図5Cに示すように、正六角形の一辺を互いにハニカム状に重ね合わせて略三角形状に集合させた配置形態などが挙げられる。
これにより、光源モジュール1を複数の正六角形の間に隙間なく敷き詰めることができるとともに、一面にLED光源60を敷き詰めて配列することができる。なお、図示例にあっては、外郭形態が平面からみて正六角形を有する光源モジュール1を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば外郭形態が平面視で三角形、四角形、あるいは八角形などの多角形を有する光源モジュール1であってもよい。
上記のように構成された光源モジュール1は、光方向変換部材10の裏面に支持リブ15を介して回路基板30、放熱シート40及び放熱板50を定法に従い組み付けた後、3本のビス2,…,2のネジ部を回路基板30の取付スリット34、放熱シート40の取付スリット44、及び放熱板50の取付孔54を介して光方向変換部材10のビス取付ボス17の先端面に形成された雌ネジ部に螺合して締付固定することで組み立てられる。組み立てた光源モジュール1は、放熱板50の裏面から突出した一対のピン16の先端を相手方の取付板に形成された通孔に挿入した状態で、定法に従い光方向変換部材10の取付ボス14を介してビス3により相手方の取付板に締付固定される。
(第1の実施の形態の効果)
上記第1の実施の形態に係る光源モジュール1によると、次の様々な効果が得られる。
(1)光方向変換部材10は、LED光源60の中心部から放射される中心光束を第1平行光L1として出射する第1出射部21と、LED光源60から放射される中心光束の周辺部の周辺光束を第2平行光L2として出射する第2出射部22とを備えるので、LED光源60からの中心光束及び周辺光束の平行度を正確なものにすることが可能となる。
(2)LED光源60から放射される中心光束及び周辺光束を光軸方向に略平行に変換して出射することができるので、LED光源から照明対象物までの距離に左右されることなく、LED光源からの全ての光束を光学的に同一のパワーをもって照明対象である被照明物面上に向けて効率よく出射させることができる。
(3)光方向変換部20の肉厚は、光学特性、剛性、美観などを低下させない程度に薄く設定することができるので、射出成形時における樹脂のヒケやボイド等の発生を抑制することができるとともに、製品の軽量化や低コスト化を達成することができる。
(4)光源モジュール1の外郭形態を正六角形状に形成しているため、光源モジュール1をアレイ状に配置したときの照明領域のデッドスペースを殆どなくすことができるようになり、LED光源60の照射密度を均一化することができるとともに、明るく照明することが可能となる。
(5)光方向変換部材10の裏面に回路基板30、放熱シート40及び放熱板50を順次組み付けた後、ビス2により締付固定することで組み立てる構成となっているので、光源モジュール1のユニット化が容易になる。
(6)LED光源60からの光束を照射方向に向けるためのリフレクタが不要となり、部品点数の削減と組み付け精度の向上が図れる。それに加えて、光源モジュール1の小型化と薄型化とを達成することも可能となる。
[第2の実施の形態]
以上のように構成された光源モジュール1は、最終製品として、例えば街路灯用の照明機器に効果的に適用することができる。図6を参照すると、図6には、上記第1の実施の形態に係る光源モジュール1を用いた街路灯用照明機器100が模式的に示されている。なお、上記第1の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、上記第1の実施の形態と実質的に同じ部材に関する詳細な説明は省略する。
図6において、全体を示す符号100は光源モジュール1を使用した街路灯用照明機器を模式的に示している。この照明機器100は、路面や地面などに垂直に立設固定された図示しない支柱と、その支柱の上端部に支持固定された灯具本体101とを備えている。この灯具本体101は、下面に開口102を有する筐体103と、開口102を閉鎖する蓋体105と、筐体103内に収納された面状発光装置70とを備えている。蓋体105の光源モジュール1と対応する部位には灯具レンズ104が設けられている。LED光源60のリード線61は、他の光源モジュール1の回路基板30や電源部106に接続されている。
照明機器100の面状発光装置70は、多数個の光源モジュール1,…,1を備えている。その光源モジュール1は、筐体103内に設けられた取付ユニット107に支持固定されている。この取付ユニット107は、取付ブラケット108を有する取付板109を備えており、亜鉛メッキ鋼板、アルミニウム、銅などの板金材からなる。取付板109の取付ブラケット108は、筐体103の底面に垂直に立設された筒状のブラケット取付ボス110にビス111により締付固定されている。光源モジュール1は、放熱板50の裏面から突出した一対のピン16の先端を取付板109に形成された通孔に挿入して位置決めした後、定法に従い光方向変換部材10の取付ボス14を介してビス3により取付板109に締付固定されている。
いま、面状発光装置70に電源を供給すると、多数個の光源モジュール1のLED光源60から白色光を発光する。その白色光は、図4に示すように、光方向変換部材10によってLED光源60の中心部から放射される中心光束とLED光源60から放射される周辺光束とを平行光として灯具レンズ104へと出射される。灯具レンズ104の裏面側から表面側へ向けて透過する中心光束と周辺光束とは、図6に示すように、側方、斜め上方、及び斜め下方に平行光として出射される。灯具レンズ104から出射された光束は、路面や地面等に直接到達し、路面や地面等を鮮明に照明する。
(第2の実施の形態の効果)
上記第2の実施の形態に係る面状発光装置70によれば、上記第1の実施の形態の効果に加えて、次の効果が得られる。
(1)照明機器100をコンパクトに構成することができる。
(2)多数個の光源モジュール1を照明機器100の取付ユニット107に単一のビス3により取り付ける簡単な取付構造となっているため、照明対象である被照明物面に対して必要な明るさや電力に応じて、光源モジュール1の設置個数を簡単に変更することができる。
(3)光源モジュール1の裏面側にLED光源60のリード線61を露呈させているので、多数個の光源モジュール1を照明機器100の電源部106に簡単に電気接続することができる。
以上の説明からも明らかなように、本発明は、上記実施の形態、変形例及び図示例に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲内で様々に設計変更が可能である。上記第2の実施の形態では面状発光装置を街路灯用照明機器に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではないことは勿論であり、例えば道路灯、防犯灯、駐車場灯、投光器、及びスポットライト等の各種の照明機器に効果的に使用することができる。

Claims (9)

  1. LED光源と、前記LED光源から出射される光束を光軸方向に変換する光方向変換部材とを備え、
    前記光方向変換部材は、前記LED光源に対峙する光方向変換部を有してなり、
    前記光方向変換部は、前記LED光源の中心部から出射される中心光束を記光軸方向に出射する第1の出射部と、前記LED光源から出射される前記中心光束の周辺部の周辺光束を前記光軸方向に変換して出射する第2の出射部とを有し、
    前記第2の出射部は、前記光軸方向に直交する環状の面から構成された平面部と前記光軸方向に平行な環状の面から構成された壁面部とからなる段差を複数有することを特徴とする光源モジュール。
  2. 前記LED光源は、複数のLED光源であり、
    前記光方向変換部材は、多角形を有し、前記多角形の面に前記複数のLED光源のそれぞれに対峙する複数の光方向変換部を有してなることを特徴とする請求項1記載の光源モジュール。
  3. 前記光方向変換部材は、正六角形を有し、
    前記光方向変換部材の正六角形の頂点と対応する部位に前記光方向変換部を有し、
    前記光方向変換部は、前記正六角形を中心として同一円周上に配されてなることを特徴とする請求項2記載の光源モジュール。
  4. 前記第1の出射部は、前記LED光源から出射される前記中心光束を屈折して入射する第1の入射面と、前記第1の入射面に入射した前記中心光束を光軸方向に屈折して出射する第1の出射面とを有し、
    前記第2の出射部は、前記第1の入射面の周囲に形成された第2の入射面と、前記第2の入射面から入射した前記周辺光束を前記光軸方向に全反射する反射面と、前記第1の出射面の周囲に形成され、前記反射面において全反射した前記周辺光束を光軸方向に透過して出射する第2の出射面とを有してなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の光源モジュール。
  5. 前記反射面は、放物面形状を有してなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光源モジュール。
  6. 前記光方向変換部材は、前記光方向変換部以外の表面に反射膜を施してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の光源モジュール。
  7. 前記光方向変換部材は、平板部と、前記平板部の周辺方向に沿って相対向する側壁部とからなるケース部により構成され、前記光方向変換部以外の表面に反射膜を施してなり、
    前記反射膜は、前記側壁部と、前記ケース部内に設けられ前記LED光源を搭載する基板の搭載面とに施されてなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の光源モジュール。
  8. 前記LED光源を搭載する基板と、
    前記基板の前記LED光源とは反対側の面に設けられる放熱シートと、
    前記放熱シートの前記基板とは反対側の面に設けられる放熱板とを備え、
    前記光方向変換部材の出射側とは反対側に前記基板、前記放熱シート及び前記放熱板を固定したユニットとして構成されてなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の光源モジュール。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の複数の光源モジュールを取付板上に配置してなることを特徴とする面状発光装置。
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