JP5861111B2

JP5861111B2 - 照明器具

Info

Publication number: JP5861111B2
Application number: JP2012042108A
Authority: JP
Inventors: 朋広太田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013178946A

Description

本発明は、レンズを用いて配光を制御する照明器具に関する。

従来から、レンズを用いて配光を制御する照明器具が提供されている。例えば、特許文献１には、複数個の発光素子と、発光素子にそれぞれ対応する複数個のレンズとを備えるダウンライトが記載されている。特許文献１に記載された構成例では、発光素子は、発光色が青色であるＬＥＤチップと、黄色蛍光体を含有した透光性材料によりドーム状に形成された色変換部材とを備えている。

特開２０１１−７０８１６号公報（段落［００２７］［００５３］）

ところで、特許文献１に記載された照明器具のように、発光素子から放射された光をレンズで収束ないし発散させることにより配光を制御する構成を採用すると、発光素子から放射された光束の分布が照射面の照度の分布に反映されることになる。発光素子の正面方向の中心軸がレンズの光軸に一致している場合、発光素子から放射された光はレンズの光軸の周りに等方的に広がるから、発光素子の表面が中心軸の周りで均一であれば、照射面における照度の分布もレンズの光軸の周りに均一になると考えられる。

特許文献１のように、ＬＥＤチップとドーム状の色変換部材とを備える発光素子を用いる場合、ドーム状の色変換部材の表面から放射される光束は、ＬＥＤチップの形状を反映した分布になる。例えば、ＬＥＤチップの正面形状が多角形状であれば、色変換部材の表面から放射される光束の分布は、発光素子の上記中心軸の周りで不均一になる。そのため、照射面における照度は、ＬＥＤチップの形状の影響を受け、方向に依存した不均一な分布になる。言い換えると、レンズにより配光を制御する照明器具は、照射面の照度の分布が発光素子の構造に依存し、照度を等方的に分布させることが難しいという問題を有している。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、レンズにより配光を制御しながらも、照射面において等方的な照度分布が得られるようにした照明器具を提供することにある。

本発明に係る照明器具は、光源となる少なくとも１個の発光素子と、前記発光素子に対する相対位置が定められ前記発光素子から放射された光の配光を制御するレンズとを備え、前記発光素子は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤから放射された光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性材料により形成され前記ＬＥＤを覆っている色変換部材とを有し、前記レンズは、前記発光素子と対向する入射面に拡散透過性を付与する拡散層が形成されており、前記拡散層は、前記入射面に形成された多数個のディンプルにより形成されており、前記発光素子と前記レンズとは離間して配置されていることを特徴とする。

この照明器具において、前記レンズは、前記入射面が平面であることが望ましい。

この照明器具において、前記発光素子は、正面形状が多角形であるＬＥＤチップを備え、複数個の前記発光素子が、一つの平面において、正面方向の中心軸の周りに回転角度を互いに異ならせて配置されていることがより望ましい。

この照明器具において、前記レンズは、出射面の外周部に拡散透過性を付与する第２の拡散層が形成されていることがより望ましい。

この照明器具において、前記レンズは、出射面が前記発光素子から離れる向きに凸となる形状に形成されていることがさらに望ましい。

本発明の構成によれば、レンズにおける発光素子との対向面に拡散透過性を付与しているから、照射面における照度の分布に対する発光素子の表面の光束の分布の影響を低減させ、結果的に、照射面において等方的な照度分布が得られるという効果が得られる。例えば、発光素子の表面から放射される光束の分布が多角形状に分布していたとしても、照明器具から照射面に投影されるパターンの輪郭形状を円形に近づけることが可能になる。

実施形態１を示す概略断面図である。同上に用いる発光素子を示す正面図である。同上による照射面への投影形状の例を示す動作説明図である。同上の具体的な構成例を示す斜視図である。同上の具体的な他の構成例を示す斜視図である。実施形態２を示す概略構成図である。同上に用いる集合レンズを示し、（ａ）は前面側の斜視図、（ｂ）は背面側の斜視図、（ｃ）は比較例を示す背面側の斜視図である。実施形態３を示す要部の正面図である。同上による照射面への投影形状の例を示す動作説明図である。実施形態４を示す断面図である。

以下に説明する実施形態の技術は、ダウンライトやスポットライトのように比較的狭い範囲を照明する照明器具に適用する場合に好適であるが、広範囲を照明する照明器具においても採用可能である。図４にダウンライトの外観の一例を示し、図５にスポットライトの外観の一例を示す。

図４に示すダウンライトは、上部が天井に埋め込まれる器具本体３１を備え、器具本体３１は、下端部に設けた鍔部３２と、下端部に取り付けられた２個の取付ばね３３とで天井材を挟むことにより、天井に固定される。器具本体３１に内蔵された発光素子（後述する）からの光は、器具本体３１の下面から放射される。

図５に示すスポットライトは、筒状の器具本体３４の両側に結合されたアーム３５を備え、アーム３５の上端部にプラグ３６を備える。このプラグ３６は、給電用の導体を内蔵した配線レール３７と機械的かつ電気的に結合される。器具本体３４に内蔵された発光素子（後述する）からの光は、器具本体３４の一端面（図５の左端面）から放射される。

図４に示すダウンライトや図５に示すスポットライトは、以下に説明する実施形態の技術を適用する照明器具の一例を示している。ただし、以下に説明する技術は、他の構成の照明器具に用いてもよい。

（実施形態１）
照明器具のうち配光に関係する要部の構成を図１に模式的に示す。図には、光源となる発光素子１と、配光を制御するレンズ２とを示している。図中に示す支持部材３は、発光素子１とレンズ２との位置関係を定めるための部材であって、現実の照明器具では、発光素子１が実装された基板、レンズ２を保持している器具本体のような部材に相当する。あるいはまた、発光素子１が実装された基板に、レンズ２を保持する部材を固定することにより、基板と当該部材とを支持部材３に用いることも可能である。

発光素子１とレンズ２とは、支持部材３により所望の距離だけ離間して配置される。したがって、レンズ２の種類および焦点距離に応じて、発光素子１とレンズ２との距離を設定することによって、発光素子１から放射された光束を収束あるいは発散させ、所望の配光を得ることが可能になる。

発光素子１は、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と略称する）が用いられている。発光素子１の発光色は、照明用に一般に用いられている電球色から昼光色までの色温度であればよく、また他の発光色であってもよい。ここでは、発光素子１は、図１および図２に示すように、ベース１２に取り付けられたＬＥＤチップ１１と、ＬＥＤチップ１１から放射された光の波長を変換する色変換部材１３とを備える。色変換部材１３は、外周形状が半球状である透光性材料からなり、ＬＥＤチップ１１から放射された光の波長を変換するために材料中に蛍光体を含有している。ＬＥＤチップ１１およびベース１２は正面視の外周形状が正方形状であり、色変換部材１３はＬＥＤチップ１１を覆うようにベース１２に取り付けられている。このＬＥＤチップ１１は、主として正面から放射された光が利用される。

発光素子１の発光色が白色系である場合、ＬＥＤチップ１１の発光色と色変換部材１３での変換後に放射される光色とを補色の関係とすればよい。例えば、ＬＥＤチップ１１の発光色として青色が選択され、色変換部材１３が含有する蛍光体として青色光で励起され黄色光を放射する物質が選択されていれば、色変換部材１３で混色された白色系の光が発光素子１から取り出される。

本実施形態で用いるレンズ２は、両凸レンズであって、発光素子１と対向している入射面の曲率半径が出射面の曲率半径よりも大きくなるように形成されている。また、入射面には、拡散透過性を付与する拡散層２１が形成される。拡散層２１は、レンズ２の材料に応じた技術を用いて形成される。例えば、表面に微細な凹凸を形成するために、サンドブラストのような物理的加工法、あるいは腐食のような化学的加工法が採用される。拡散層２１は、拡散透過性を有するシートをレンズ２と重ねることにより形成してもよい。さらに、レンズ２が合成樹脂成形品である場合は、レンズ２の成形時にシボ加工やディンプル加工により拡散透過性を付与する微小の凹凸を有する拡散層２１をレンズ２と一体に形成することも可能である。

上記構成の照明器具では、発光素子１から放射された光は、レンズ２の入射面に形成された拡散層２１を拡散透過した後、レンズ２を通過することによって配光が制御される。したがって、照明器具の正面に照射面を規定すると、照明器具から照射面に投影される光のパターンは、図３に実線４３で示しているように、ほぼ円形になる。すなわち、発光素子１の表面（色変換部材１３の周面）から放射される光束の分布にむらがあっても、拡散層２１を通過する際に拡散して混合されるから、光束の分布が均一化される。また、同様に、発光素子１の表面から放射される光色が一様でなく色むらがあっても、拡散層２１を通過する際に光が混合されることにより光色の相違が緩和される。その結果、照射面に投影される光パターンは照度が中心からの方位に依存せず等方的になり、しかも、光パターンの全領域に亘ってほぼ一様な光色が得られることになる。

ここで、拡散層２１を設けていない場合を想定すると、発光素子１の表面における光束の分布が照射面における照度の分布に反映されることになる。ＬＥＤチップ１１から放射された光は色変換部材１３を拡散透過するから、発光素子１の表面では光束のむらが緩和されているが、正面方向は他方向よりも光の強度が大きいから、発光素子１の表面から放射される光束の分布は一様にはならない。とくに、ＬＥＤチップ１１から放射された光の一部は、混色のために色変換されないから、色変換部材１３で十分に拡散されずに取り出されることになる。

例えば、図２に示したように、正面視において正方形状のＬＥＤチップ１１を用いた場合、発光素子１の表面における光束にも正方形状の強度むらが生じる。そのため、図３に二点鎖線４１で示すように、照射面に投影される光パターンの照度にも正方形状の分布のむらが生じることになる。

また、ＬＥＤチップ１１から放射される光の強度は光の放射方向に依存しており、正面方向に比べて他方向に放射される光の強度は小さくなる。そのため、色変換部材１３に含有される蛍光体の濃度を正面方向において所望の光色が得られるように設定していると、他方向ではＬＥＤチップ１１から色変換されずに取り出される光量が少なくなり、結果的に色変換後の光色が優勢になると考えられる。

例えば、発光色が青色であるＬＥＤチップ１１と、青色光に励起されて黄色光を放出する蛍光体を含有した色変換部材１３とを組み合わせている場合、照射面に投影される光パターンの中央部は白色系になるが、外周部は黄色が優勢になる。すなわち、図３に一点鎖線４２と実線４３とで示す領域では黄色が優勢になり、光パターンに色むらが生じることになる。

これに対して、本実施形態のように、レンズ２における入射面に拡散層２１を形成した構成を採用すると、上述したように、照射面に投影される光パターンの強度のむら、および色むらが緩和され、強度および色の均斉度の高い照明が可能になる。

（実施形態２）
実施形態１は、照明器具の基本的な構成として１個の発光素子１を備える基本的な構成を例示した。一方、一般的な照明器具では、照明に必要な程度の光の強度を確保するために、複数個の発光素子１が用いられている。図６に示す構成は、複数個の発光素子１を設けた例を示している。図中には３個の発光素子１を示しているが、発光素子１の個数にとくに制限はない。

また、レンズ２は、発光素子１ごとに設けられ、レンズ２の光軸は発光素子１の正面方向の中心軸にほぼ一致させてある。さらに、本実施形態では、複数個のレンズ２を一体に形成した集合レンズ２０を用いている。個々のレンズ２は、一面が凸面であって他面が平面である平凸レンズであって、平面側を入射面として発光素子１と対向させてある。集合レンズ２０を構成するために、隣り合うレンズ２の間には、一定の厚みを有した連結部２２が形成される。また、集合レンズ２０は、レンズ２の入射面側が一つの平面上を形成して面一になっている。

実施形態１と同様に、レンズ２の入射面には拡散透過性を付与する拡散層２１が形成されている。拡散層２１は連結部２２に跨って形成される。したがって、連結部２２を通過する光も混合される。

上述した集合レンズ２０の具体例を図７に示す。集合レンズ２０の外周形状は円形状であって、集合レンズ２０の中心の周りで、複数個（図示例は１８個）のレンズ２を二重の同心円上に配置してある。拡散層２１は、図７（ｂ）に示すように、ディンプル加工により形成した多数個のディンプルがレンズ２の存在する全領域に亘ってほぼ均等に設けられている。図７（ｂ）において、網掛け部に多数個のディンプルが形成されている。したがって、図７（ｃ）のように拡散層２１を形成していない場合と比較すると、照射面での強度および光色のむらが抑制される。

拡散層２１が多数個のディンプルで形成されていることにより、乳白色の拡散層２１を用いる場合と比べて透過率の低下が抑制され、結果的に、発光効率の高い照明器具を提供することが可能になる。

上述した構成により、複数個の発光素子１を配置した照明器具においても、強度および光色の均斉度の高い照明が可能になる。他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、図８に示すように、複数個の発光素子１を用いた構成であって、しかも、発光素子１の配置を考慮することにより、照射面での強度および色のむらを、さらに抑制した技術について説明する。

図示例では、発光素子１は、円板状の実装基板１０の中心部に１個の発光素子１を実装し、この発光素子１を囲む１つの円周上に他の複数個（ここでは、６個）の発光素子１が等角度間隔で配置されている。また、実施形態２と同様に、発光素子１ごとに対応付けた複数個のレンズ２を一体に備える集合レンズ２０が用いられる。

ところで、本実施形態は、実装基板１０の表面と平行な面内における発光素子１の向きを互いに異ならせるように発光素子１が配置されている。すなわち、それぞれの発光素子１は、正面方向が平行となるように実装基板１０に配置されるが、正面方向の中心軸の周りの角度は、発光素子１ごとに異ならせてある。また、発光素子１の回転角度は等角度ずつ異ならせてある。図示例では、７個の発光素子１を用いているから、中央部の発光素子１の向きを０度とするとき、残りの６個の発光素子１は、９０ｎ／７度（ｎ＝１，２，…，６）の向きになるように配置される。

実施形態１で説明したように、照明器具の正面に規定した照射面に投影される光パターンは、拡散層２１を設けていない場合に、発光素子１の表面での光束の分布の影響を受ける。したがって、実施形態１と同様に、発光素子１が、正方形状のＬＥＤチップ１１と、ドーム状の色変換部材１３とを備える場合、拡散層２１を設けていなければ、それぞれの発光素子１が照射面に投影する光パターンの照度分布には正方形状の偏りが生じる。

これに対して、本実施形態は、上述したように、それぞれの発光素子１を正面方向の中心軸の周りの角度が互いに異なるように回転させている。そのため、１個の発光素子１に対応した光パターンの照度分布に正方形状の偏りが生じるとしても、図９（ａ）に示すように、それぞれの発光素子１に対応する光パターン４４が角度をずらして重なり合うことにより、照度分布の偏りが少なくなる。図示例では、正面視において正方形状のＬＥＤチップ１１に対して、照射面に投影された光パターンは５６個の頂点を有する凹多角形になっている。すなわち、拡散層２１を設けない状態でも円形に近い光パターンが投影され、照射面における強度および光色のむらが低減される。

以上のように、複数個の発光素子１を、実装基板１０の表面に平行な面内で互いに異なる向きに配置することに加え、レンズ２の入射面に拡散層２１を形成しているから、図９（ｂ）に実線４７で示すように、照射面において円形の光パターンが得られる。つまり、照射面での照度分布が等方的になる。また、レンズ２が拡散層２１を備えていない場合の光パターンが、図９（ｂ）に二点鎖線４５で示すように、円形状に近い多角形状であるから、実施形態１の構成よりもさらに、照射面での光の強度の均斉度が高くなる。

さらに、実施形態１と同様に、拡散層２１を設けていない場合には、照射面に投影される光パターンにおいて、図９（ｂ）に実線４７と一点鎖線４６とで示す外周部では、黄色が優性になる可能性がある。これに対して、拡散層２１が存在することによって、混色性が高まり、外周部における光色のむらが抑制される。なお、他の構成および機能は実施形態１あるいは実施形態２と同様である。

（実施形態４）
本実施形態は、レンズ２における出射面の外周部に拡散透過性が付与されている。図１０に示す例は、実施形態２に示した集合レンズ２０に本実施形態の技術を適用した例であって、レンズ２における出射面の外周部に拡散透過性を有した拡散層２３が付加されている。拡散層２３は、拡散層２１と同様に形成される。

上述した構成を採用すると、レンズ２の出射面の外周部から出射される光がさらに拡散され、照射面に投影される光パターンの外周部における強度や光色のむらのさらなる抑制が期待される。とくに、光パターンの外周部は光色のむらが生じやすいが、本実施形態の構成では、レンズ２の外周部における拡散性を向上させているから、光色のむらがより低減されることになる。

レンズ２における出射面に設けられる拡散層２３は、入射面に設けられる拡散層２１と同様に形成すればよい。他の構成および機能は実施形態１あるいは実施形態２あるいは実施形態３と同様である。

なお、発光素子１は、上述した構造に限らず、色変換部材１３の表面が平面状である構造、ＬＥＤチップ１１のみで色変換部材１３を用いない構造などを採用することが可能である。また、レンズ２は、両凸レンズや平凸レンズだけではなく、フレネルレンズ、ロッドレンズなどを用いることが可能である。また、レンズ２は、場合によっては、凹レンズを用いることも可能である。

１発光素子
１１ＬＥＤチップ
２レンズ
２１拡散層
２３（第２の）拡散層
３支持部材

Claims

光源となる少なくとも１個の発光素子と、
前記発光素子に対する相対位置が定められ前記発光素子から放射された光の配光を制御するレンズと
を備え、
前記発光素子は、ＬＥＤと、前記ＬＥＤから放射された光の波長を変換する蛍光体を含有する透光性材料により形成され前記ＬＥＤを覆っている色変換部材とを有し、
前記レンズは、前記発光素子と対向する入射面に拡散透過性を付与する拡散層が形成されており、
前記拡散層は、前記入射面に形成された多数個のディンプルにより形成されており、
前記発光素子と前記レンズとは離間して配置されている
ことを特徴とする照明器具。
前記レンズは、前記入射面が平面であることを特徴とする請求項１記載の照明器具。
前記発光素子は、正面形状が多角形状であるＬＥＤチップを備え、複数個の前記発光素子が、一つの平面上において、正面方向の中心軸の周りの回転角度を互いに異ならせて配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明器具。
前記レンズは、出射面の外周部に拡散透過性を付与する第２の拡散層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明器具。
前記レンズは、出射面が前記発光素子から離れる向きに凸となる形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明器具。