JP5803051B2

JP5803051B2 - 灯具

Info

Publication number: JP5803051B2
Application number: JP2011186370A
Authority: JP
Inventors: 岡田　英隆; 英隆岡田
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-08-29
Also published as: JP2013048062A

Description

本発明は、灯具に係り、特に、半導体発光素子とレンズ体とを組み合わせた灯具に関する。

従来、半導体発光素子とレンズ体とを組み合わせた灯具が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１４、図１５に示すように、特許文献１に記載の灯具２００は、ＬＥＤ光源等の半導体発光素子２１０、その前方に配置され、半導体発光素子２１０の光軸ＡＸに対して回転対称の回転放物面２２１を含むレンズ体２２０、光軸ＡＸの周りに同心円状に配置された複数の反射面２３０を備えている。灯具２００においては、半導体発光素子２１０から放射されレンズ体２２０内部に導入された半導体発光素子２１０からの光は、回転放物面２２１で光軸ＡＸを中心に放射状に（すなわち、軸ＡＸを中心に３６０°方向に）反射されてレンズ体２２０から出射し、さらに、複数の反射面２３０で反射されて前方に照射される。これにより、同心円状に多点発光する仮想光源が構成される。

特開２００８−２２６７０２号公報

しかしながら、上記構成の灯具２００においては、回転放物面２２１で放射状に反射される半導体発光素子２１０からの光の利用効率を向上させる観点から、複数の反射面２３０を同心円状に密に配置した構成であるため、複数の反射面２３０を同心円状ではなく多角形状又は格子状に配置すると、半導体発光素子２１０からの光の利用効率が低下するという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく多角形状又は格子状に多点発光させることが可能な灯具を提供することを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、半導体発光素子と、前記半導体発光素子の前方に配置されたレンズ体と、を備えており、前記レンズ体は、その表面に、入光面、中央出光面、第１全反射面、周囲出光面、第２全反射面を含む中実のレンズ体であり、前記入光面は、前記半導体発光素子から放射される光が入射するように、前記半導体発光素子の前方かつ光軸上に配置されるとともに、これを透過して前記レンズ体内部に導入される前記半導体発光素子からの光を前記光軸に対して平行な光線に変換するように構成されており、前記中央出光面は、前記レンズ体内部に導入された前記半導体発光素子からの光のうち、前記光軸寄りを進行する相対的に高い光度の光が出射するように、前記入光面の前方かつ前記光軸上に配置されており、前記第１全反射面は、前記レンズ体内部に導入された前記半導体発光素子からの光のうち、前記中央出光面から出射する光以外の光が入射するように、前記中央出光面の周囲に周方向にＮ個配置されて略Ｎ角錐を構成する三角形状の平面反射面であって、頂点側が前記中央出光面の外周近傍に位置するとともに、その反対側の底辺側が前記中央出光面より前方かつ外側に位置するように、前記光軸に対して傾斜して配置されており、前記周囲出光面は、正面視で中心が前記光軸上に位置しかつ頂点が前記第１全反射面で反射された反射光の各光路上に位置するＮ角形の各頂点に対応する位置にそれぞれ配置されており、前記第２全反射面は、前記第１全反射面で反射された反射光が入射するように、前記第１全反射面で反射された反射光の各光路上かつ前記周囲出光面の後方に配置された平面反射面であって、これに入射した前記第１全反射面からの反射光が前記周囲出光面に向かって反射されて、当該周囲出光面から出射するように、前記光軸に対して傾斜して配置されており、前記周囲出光面は、正面視で中心が前記光軸上に位置しかつ頂点及び頂点を両端に持つ稜線の中間点が前記第１全反射面で反射された反射光の光路上に位置する矩形の前記頂点に対応する位置及び前記中間点に対応する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、半導体発光素子から放射された光は、中央出光面の周囲に周方向にＮ個配置されて略Ｎ角錐を構成する三角形状の平面反射面（及び第２全反射面）の作用により、多角形状に配置された（Ｎ角形の各頂点に対応する位置にそれぞれ配置された）周囲出光面から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなくＮ角形状に多点発光する仮想光源を構成することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１全反射面は、前記中央出光面の周囲に周方向に八個配置されて略八角錐を構成する三角形状の平面反射面であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、半導体発光素子から放射された光は、中央出光面の周囲に周方向に八個配置されて略八角錐を構成する三角形状の平面反射面（及び第２全反射面）の作用により、格子状に配置された中央出光面及び各周囲出光面から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく格子状に多点発光する仮想光源を構成することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記中央出光面の直径として、当該中央出光面から出射する光束が前記周囲出光面から出射する光束と略同一となる寸法が選定されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、多点発光する各仮想光源からの光束が略等しくなる灯具を構成することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記中央出光面及び／又は周囲出光面は、当該中央出光面及び／又は周囲出光面から出射する光が拡散するように構成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、輝度むらが無い均一な面発光（又は輝度むらが殆ど無い略均一な面発光）を実現することが可能となる。また、灯具正面に正対するスクリーン上に輝度むらの無い均一な配光（又は輝度むらの殆ど無い略均一な配光）を形成することが可能となる。

本発明によれば、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく多角形状又は格子状に多点発光させることが可能な灯具を提供することが可能となる。

灯具１０の正面図である。図１に示した灯具１０のＡ−Ａ断面図である。図１に示した灯具１０のＢ−Ｂ断面図である。灯具１０を構成するレンズ体３０の背面図である。半導体発光素子２０の指向特性を説明するための図である。図１に示した灯具１０のＡ−Ａ断面における各周囲出光面３４から出射する光線の光線追跡図である。図１に示した灯具１０のＢ−Ｂ断面における各周囲出光面３４から出射する光線の光線追跡図である。各周囲出光面３４から出射する光線の正面視での光線追跡図である。中央出光面３２から出射する光線の正面視での光線追跡図である。中央出光面３２、各周囲出光面３４から出射する光線の斜視図での光線追跡図である。中央出光面３２、各周囲出光面３４から出射する光線の側面視での光線追跡図である。各周囲出光面３４の変形例（正面視での配置例）である。各周囲出光面３４の変形例（正面視での配置例）である。従来の車両用灯具２００の断面図である。従来の車両用灯具２００の正面図（レンズ体２２０省略）である。

以下、本発明の実施形態である灯具について図面を参照しながら説明する。

図１は灯具１０の正面図、図２は図１に示した灯具１０のＡ−Ａ断面図、図３は図１に示した灯具１０のＢ−Ｂ断面図、図４は灯具１０を構成するレンズ体３０の背面図である。

図１〜図４に示すように、本実施形態の灯具１０は、ＰＣ等のモニタ、ＴＶ等のディスプレイ等のバックライト用の照明や室内照明等に適用される灯具であって、半導体発光素子２０、レンズ体３０等を備えている。

半導体発光素子２０は例えば一つ又は複数の青色ＬＥＤチップであり、その発光面は黄色蛍光体（例えば、ＹＡＧ蛍光体）で覆われている。半導体発光素子２０は、蛍光体を透過するＬＥＤチップからの光とＬＥＤチップから入射する光で励起されて発光した蛍光体からの光との混色による白色光（擬似白色光）を放射する。なお、半導体発光素子２０は、略点状に面発光する発光チップを有する素子状の光源であればよく、ＬＥＤチップに限定されない。例えば、半導体発光素子２０は、青色ＬＥＤチップ以外の発光色の発光ダイオードやレーザダイオードと蛍光体とを組み合わせたものであってもよい。

図５は、半導体発光素子２０の指向特性を説明するための図である。図５に示すように、半導体発光素子２０から放射される光の指向特性は略ランバーシアンになる。ランバーシアンとは、半導体発光素子２０上の光軸ＡＸ上光度を１００％（Ｉ_０）とした場合の（θ＝０）、半導体発光素子２０に対して所定角度θ傾いた方向の光度の割合のことであり、Ｉ（θ）＝Ｉ_０×cosθで表される。これは、半導体発光素子２０が放射する光の広がりを表している。

図１〜図４に示すように、レンズ体３０は、透明樹脂製（例えば、アクリル又はポリカーボネイト）又はガラス製の中実のレンズ体であって、その表面に、入光面３１、中央出光面３２、第１全反射面３３、周囲出光面３４、第２全反射面３５等を含んでいる。

入光面３１は、半導体発光素子２０から放射される光が入射するように、半導体発光素子２０の前方かつ光軸ＡＸ上に配置されるとともに、これを透過してレンズ体３０内部に導入される半導体発光素子２０からの光を光軸ＡＸに対して平行な光線に変換するように構成されたレンズ面である。入光面３１は、光軸ＡＸを中心とする所定立体角内（例えば、半値角内）の相対的に高い光度の光が入射するように、光軸ＡＸに対して回転対称で、半導体発光素子２０に向かって凸の円形のレンズ面とされている。

中央出光面３２は、レンズ体３０内部に導入された半導体発光素子２０からの光のうち、光軸ＡＸ寄りを進行する相対的に高い光度の光Ｒａｙ１（図２、図３参照）が出射するように、入光面３１の前方かつ光軸ＡＸ上に配置されている。

中央出光面３２は、これから出射する光Ｒａｙ１を拡散させるために、光軸ＡＸに対して回転対称で、後方（半導体発光素子２０）に向かって凸の円形のレンズ面とされている。なお、中央出光面３２は、後方に向かって凹の円形のレンズ面であってもよい。これによっても、中央出光面３２から出射する光Ｒａｙ１を拡散させることが可能となる。

中央出光面３２の直径として、当該中央出光面３２から出射する光束が各周囲出光面３４から出射する光束と略同一となる寸法が選定されている。具体的には、中央出光面３２の直径＜周囲出光面３４の直径となる寸法が選定される。

第１全反射面３３は、正面視で三角形状の平面反射面であって、レンズ体３０内部に導入された半導体発光素子２０からの光のうち、中央出光面３２から出射する光Ｒａｙ１以外の光Ｒａｙ２（図２、図３参照）が入射するように、中央出光面３２の周囲に周方向に八個配置されて、略八角錐を構成している（図１参照）。

各第１全反射面３３は、頂点３３ａ側が中央出光面３２の外周近傍に位置するとともに、その反対側の底辺３３ｂ側が中央出光面３２より前方かつ外側に位置するように、光軸ＡＸに対して角度θ１（本実施形態では４５°）傾斜して配置されている（図２、図３参照）。各第１全反射面３３の底辺３３ｂは、中央出光面３２より前方で光軸ＡＸに直交する平面上に位置して、正八角形を構成している（図１参照）。

各第１全反射面３３は同一サイズで、光軸ＡＸに対する傾斜角度θ１も同一とされている。このため、各第１全反射面３３に入射する半導体発光素子２０からの光Ｒａｙ２は各方向（光軸ＡＸに直交する合計八方向）へ均等に反射（配分）される（図６〜図８参照）。

図１に示すように、中央出光面３２、各周囲出光面３４は、正面視で３×３の格子状に配置されている。周囲出光面３４は、正面視で中心Ｃが光軸ＡＸ上に位置する矩形Ｒの各頂点Ｖ１〜Ｖ４に対応する位置及び頂点Ｖ１〜Ｖ４を両端に持つ稜線の中間点Ｖ５〜Ｖ８に対応する位置にそれぞれ配置されている。矩形Ｒは光軸ＡＸに直交する平面上に位置しており、かつ、矩形Ｒの頂点Ｖ１〜Ｖ４及び頂点Ｖ１〜Ｖ４を両端に持つ稜線の中間点Ｖ５〜Ｖ８は、正面視で第１全反射面３３で反射された反射光の各光路Ｌ１〜Ｌ８上に位置している（図８参照）。

各周囲出光面３４は、これから出射する光を拡散させるために、光軸ＡＸに対して平行な中心軸ＡＸ_ｃに対して回転対称で、後方に向かって凸の円形のレンズ面とされている（図２、図３参照）。なお、各周囲出光面３４は、後方に向かって凹の円形のレンズ面であってもよい。これによっても、各周囲出光面３４から出射する光を拡散させることが可能となる。

各周囲出光面３４の直径として、第１全反射面３３の底辺３３ｂと略同一寸法（又は、第１全反射面３３の底辺３３ｂより長い寸法）が選定されている。これにより、第２全反射面３５で反射された第１全反射面３３からの反射光を略全て、各周囲出光面３４から出射させることが可能となる。

第２全反射面３５は、平面反射面であって、第１全反射面３３で反射された反射光が入射するように、第１全反射面３３で反射された反射光の光路Ｌ１〜Ｌ８上かつ周囲出光面３４の後方に配置されている（図２、図３、図８参照）。

第２全反射面３５は、これに入射した第１全反射面３３からの反射光が当該第２全反射面３５の前方の周囲出光面３４に向かって反射されて、当該周囲出光面３４から出射するように、光軸ＡＸに対して傾斜して配置されている。本実施形態では、図２、図３に示すように、第２全反射面３５は、外側縁３５ａが内側縁３５ｂより前方に位置するように、光軸ＡＸに対して角度θ２（本実施形態では４５°）傾斜して配置されている。

上記構成の灯具１０においては、半導体発光素子２０から放射された光は、以下の光路を辿る。

入光面３１からレンズ体３０内部に導入された半導体発光素子２０からの光のうち、光軸ＡＸ寄りを進行する相対的に高い光度の光Ｒａｙ１は、中央出光面３２から拡散光として出射して、前方に照射される（図２、図３、図９〜図１１参照）。

一方、入光面３１からレンズ体３０内部に導入された半導体発光素子２０からの光のうち、中央出光面３２から出射する光Ｒａｙ１以外の光Ｒａｙ２は、各第１全反射面３３で各方向（光軸ＡＸに直交する合計八方向）へ均等に反射（配分）され、さらに、各第２全反射面３５で反射されて光軸ＡＸに沿って前方へ進行し、各周囲出光面３４から拡散光として出射して、前方に照射される（図２、図３、図６〜図８、図１０、図１１参照）。

以上説明したように、本実施形態の灯具１０によれば、一つの半導体発光素子２０から放射された光は、中央出光面３２の周囲に周方向に八個配置されて略八角錐を構成する三角形状の平面反射面３３（及び第２全反射面３５）の作用により、各方向（光軸ＡＸに直交する合計八方向）へ均等に反射（配分）され、３×３の格子状に配置された中央出光面３２、各周囲出光面３４から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく３×３の格子状に多点発光する合計９つの仮想光源を構成することが可能となる。

本実施形態では、周囲出光面３４が後方に向かって凸のレンズ面とされているため、周囲出光面３４から出射する光の強度は、光軸ＡＸ側（最内側）が最も強く、光軸ＡＸから離れるにつれ（外側に向かうにつれ）徐々に弱くなり、最外側が最も弱い分布となる（図３参照）。これは、半導体発光素子２０の指向特性がランバーシアンのためである。

これにより、光軸ＡＸ近傍が明るく、周辺に向かうにつれ徐々に暗くなる照明に適した灯具１０を構成することが可能となる。なお、周囲出光面３４が後方に向かって凹のレンズ面とされている場合には、これとは逆の分布、すなわち、光軸ＡＸ側（最内側）が最も弱く、光軸ＡＸから離れるにつれ（外側に向かうにつれ）徐々に強くなり、最外側が最も強い分布となる。

また、本実施形態の灯具１０によれば、上記のように構成される３×３の格子状に配置された合計９つの仮想光源からの光は、上記分布となり、しかも、中央出光面３２、各周囲出光面３４の作用により灯具１０正面に正対するスクリーンＳを拡散して照射することになるため、スクリーンＳとの距離によって、輝度むらの無い均一な面発光（又は輝度むらの殆ど無い略均一な面発光）を実現することが可能となる（図１１参照）。また、灯具１０正面に正対するスクリーンＳ上に輝度むらの無い均一な配光（又は輝度むらの殆ど無い略均一な配光）を形成することが可能となる。

また、本実施形態の灯具１０によれば、中央出光面３２の直径として、当該中央出光面３２から出射する光束が各周囲出光面３４から出射する光束と略同一となる寸法が選定されているため、多点発光する各仮想光源からの光束が略等しくなる灯具を構成することが可能となる。

次に、変形例について説明する。

上記実施形態では、中央出光面３２の周囲には周方向に八個の第１全反射面３３が配置されて、略八角錐を構成しているように説明したが（図１参照）、本発明はこれに限定されない。

例えば、中央出光面３２の周囲には周方向にＮ個（Ｎは三以上の整数）の第１全反射面３３が配置されて、略Ｎ角錐を構成していればよい。例えば、中央出光面３２の周囲には周方向に三個の第１全反射面３３が配置されて、略三角錐を構成していてもよいし（図１２参照）、あるいは、中央出光面３２の周囲には周方向に四個の第１全反射面３３が配置されて、略四角錐を構成していてもよい（図１３参照）。

このようにすれば、一つの半導体発光素子２０から放射された光は、中央出光面３２の周囲に周方向にＮ個配置されて略Ｎ角錐を構成する三角形状の平面反射面３３（及び第２全反射面３５）の作用により、各方向（光軸ＡＸに直交する合計Ｎ方向）へ均等に反射（配分）され、正面視で多角形状に配置された周囲出光面３４から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく多角形状に多点発光させることが可能な灯具を構成することが可能となる。

例えば、図１２の例では、一つの半導体発光素子２０から放射された光は、中央出光面３２の周囲に周方向に三個配置されて略三角錐を構成する三角形状の平面反射面３３（及び第２全反射面３５）の作用により、各方向（光軸ＡＸに直交する合計三方向）へ均等に反射（配分）され、正面視で三角形状に配置された周囲出光面３４から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく三角形状に多点発光する合計四つの仮想光源を構成することが可能となる。

また、図１３の例では、一つの半導体発光素子２０から放射された光は、中央出光面３２の周囲に周方向に四個配置されて略四角錐を構成する三角形状の平面反射面３３（及び第２全反射面３５）の作用により、各方向（光軸ＡＸに直交する合計四方向）へ均等に反射（配分）され、正面視で四角形状に配置された周囲出光面３４から出射する。これにより、従来の灯具と比べて光利用効率が低下することなく四角形状に多点発光する合計五つの仮想光源を構成することが可能となる。

上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。

１０…灯具、２０…半導体発光素子、３０…レンズ体３１、３２…入光面、３２…中央出光面、３３…第１全反射面、３３ａ…頂点、３３ｂ…底辺、３４…周囲出光面、３５…第２全反射面、３５ａ…外側縁、３５ｂ…内側縁

Claims

半導体発光素子と、
前記半導体発光素子の前方に配置されたレンズ体と、
を備えており、
前記レンズ体は、その表面に、入光面、中央出光面、第１全反射面、周囲出光面、第２全反射面を含む中実のレンズ体であり、
前記入光面は、前記半導体発光素子から放射される光が入射するように、前記半導体発光素子の前方かつ光軸上に配置されるとともに、これを透過して前記レンズ体内部に導入される前記半導体発光素子からの光を前記光軸に対して平行な光線に変換するように構成されており、
前記中央出光面は、前記レンズ体内部に導入された前記半導体発光素子からの光のうち、前記光軸寄りを進行する相対的に高い光度の光が出射するように、前記入光面の前方かつ前記光軸上に配置されており、
前記第１全反射面は、前記レンズ体内部に導入された前記半導体発光素子からの光のうち、前記中央出光面から出射する光以外の光が入射するように、前記中央出光面の周囲に周方向にＮ個配置されて略Ｎ角錐を構成する三角形状の平面反射面であって、頂点側が前記中央出光面の外周近傍に位置するとともに、その反対側の底辺側が前記中央出光面より前方かつ外側に位置するように、前記光軸に対して傾斜して配置されており、
前記周囲出光面は、正面視で中心が前記光軸上に位置しかつ頂点が前記第１全反射面で反射された反射光の各光路上に位置するＮ角形の各頂点に対応する位置にそれぞれ配置されており、
前記第２全反射面は、前記第１全反射面で反射された反射光が入射するように、前記第１全反射面で反射された反射光の各光路上かつ前記周囲出光面の後方に配置された平面反射面であって、これに入射した前記第１全反射面からの反射光が前記周囲出光面に向かって反射されて、当該周囲出光面から出射するように、前記光軸に対して傾斜して配置されており、
前記周囲出光面は、正面視で中心が前記光軸上に位置しかつ頂点及び頂点を両端に持つ稜線の中間点が前記第１全反射面で反射された反射光の光路上に位置する矩形の前記頂点に対応する位置及び前記中間点に対応する位置にそれぞれ配置されていることを特徴とする灯具。
前記第１全反射面は、前記中央出光面の周囲に周方向に八個配置されて略八角錐を構成する三角形状の平面反射面であることを特徴とする請求項１に記載の灯具。
前記中央出光面の直径として、当該中央出光面から出射する光束が前記周囲出光面から出射する光束と略同一となる寸法が選定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の灯具。
前記中央出光面及び／又は周囲出光面は、当該中央出光面及び／又は周囲出光面から出射する光が拡散するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の灯具。