JP5950198B2

JP5950198B2 - 照明器具

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Publication number: JP5950198B2
Application number: JP2012168768A
Authority: JP
Inventors: 中野　貴之; 貴之中野; 村上　忠史; 忠史村上; 哲山内
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: JP2014026933A

Description

本発明は、発光素子（ＬＥＤ）を光源とし、光源の前面に光学部材が設けられた照明器具に関する。

従来から、非常用照明器具の光源には、ハロゲンランプや蛍光灯（以下、蛍光灯等）が一般的に用いられている。また、非常用照明器具には、停電等の非常時に蛍光灯等を点灯させるためのバッテリーが内蔵されている。このバッテリーは、通常時には使用されないものの、非常時に光源を持続的に点灯させるために、所定の容量を有している。しかし、蛍光灯等は消費電力が多いので、光源の点灯可能時間は制約される。そこで、非常用照明器具の光源を、蛍光灯等から消費電力の少ない発光素子（以下、ＬＥＤ）に換えることで、バッテリーの容量を増加することなく光源の点灯時間を長くすることができる。

ところが、ＬＥＤは、蛍光灯等とは出射光の配光特性が異なるので、光源を蛍光灯等からＬＥＤを換えるためには、従来の蛍光灯等に適用されていた反射板等の光学系を、ＬＥＤに適したものに換える必要がある。非常用照明器具の配光性能としては、少ない数の照明器具で、広範囲に、法規で定められた照度で照射面を照らすことが要求される。例えば、法規で定められた照度は、ハロゲンランプでは１ｌｘ、蛍光灯では２ｌｘである。

ここで、ＬＥＤの前面に出射光を広角に配光する光学部材を設けた発光装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図１８はこの種の光学部材１０３の側断面の一構成例を、図１９はこの光学部材１０３の光路図を示す。図１８（ａ）（ｂ）に示すように、光学部材１０３は、ＬＥＤ１０２と対向してＬＥＤ１０２の出射光が入射する入射面１３１と、光学部材１０３から光を出射する出射面１３２と、を有する。入射面１３１は、ＬＥＤ１０２の発光中心を通る法線（光軸Ｌ）を軸とする略半球型凹形状から成る。出射面１３２は、上記光軸Ｌを軸として回転させた回転体形状から成る外郭を有し、凸型回転体の外郭形状と、半球型凹形状との組み合わせから成る。図１９に示すように、この光学部材１０３を用いることにより、ＬＥＤ１０２からの出射光を照射面に対して高照度、且つ広角に配光することができる。

特開２００６−９２９８３号公報

しかしながら、上記のような光学部材１０３は、天井Ｃ１から屋内側に突出するので、その存在が目立ち易く、設置空間の見栄えを悪くする虞がある。一方、光学部材１０３が天井Ｃ１から屋内側に突出しないように、これを天井（図１９に示す擬似天井Ｃ２）内に収納すると、ＬＥＤ１０２からの出射光を広範囲に照射することができず、しかも、天井裏に光が無駄に照射されてしまう。

本発明は、上記課題を解決するものであり、光源の発光素子からの光を広角に配光することができ、且つ天井裏に収納できて設置空間の見栄えの良くすることができる照明器具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、発光素子と、前記発光素子が出射する光を配光制御する光学部材と、を備えた照明器具であって、前記光学部材は、前記発光素子の発光中心を通る法線が該光学部材の光軸となり、前記発光素子が出射する光を入射する入射面と、前記入射面と対向して前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面及び出射面を接続する側面と、を有し、前記側面は、前記入射面側から前記出射面側に径が小さくなるテーパ形状とされ、前記出射面は、前記入射面側に凹の摺り鉢状の曲面を有し、該曲面は、前記出射面の外縁を原点とする放物線を前記光軸回りに回転させた回転体の外郭形状から成ることを特徴とする。

上記照明器具において、前記出射面は、前記光軸を中心として該光軸と直交する平坦面を更に有することが好ましい。

上記照明器具において、前記出射面は、前記光軸を中心として光出射方向に凸の球状面を更に有することが好ましい。

上記照明器具において、前記入射面は、前記発光素子を収容する凹部を有することが好ましい。

上記照明器具において、前記側面は、前記入射面の近傍の全周又は一部に凸部を有することが好ましい。

上記照明器具において、前記側面は、前記入射面の近傍の全周又は一部に凹部を有することが好ましい。

上記照明器具において、前記光学部材は、前記光軸を中心とする円錘体であることが好ましい。

上記照明器具において、前記光学部材は、前記光軸を中心とする角錘体であることが好ましい。

上記照明器具において、前記光学部材は、前記光軸を中心とする多角錘体であることが好ましい。

本発明によれば、光学部材の入射面に入射した光が直接又は側面で反射されて出射面の曲面を屈折透過するので、発光素子からの光を広角に配光でき、曲面は凹なので天井から突出せず、照明器具を天井裏に収納でき、設置空間の見栄えの良くすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る照明器具の分解斜視図。（ａ）は同照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図。同光学部材の形状を説明するための側断面図。（ａ）は同光学部材を用いたときの光路を示す側断面図、（ｂ）は同光学部材による配光曲線の例を示す図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図。（ａ）は同光学部材を用いたときの光路を示す側断面図、（ｂ）は同光学部材による配光曲線の例を示す図。（ａ）は上記実施形態の第１の変形例に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は別の構成例に係る光学部材の側断面図、（ｄ）は正面図。上記第１の変形例に係る照明器具の取付方法を説明するための斜視図。（ａ）（ｃ）は上記第１の変形例の光学部材の更なる変形例の側断面図、（ｂ）（ｄ）は前記夫々の正面図。（ａ）（ｃ）は上記第１の変形例の光学部材の更なる変形例の側断面図、（ｂ）（ｄ）は前記夫々の正面図。（ａ）は上記実施形態の第２の変形例に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）別の構成例に係る光学部材の側断面図、（ｄ）は正面図。上記第２の変形例に係る照明器具の取付方法を説明するための斜視図。（ａ）は上記実施形態の第３の変形例に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）別の構成例に係る光学部材の側断面図、（ｄ）は正面図。上記第３の変形例に係る照明器具の取付方法を説明するための斜視図。（ａ）は上記実施形態の第４の変形例に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図。（ａ）は同光学部材を用いたときの光路を示す側断面図、（ｂ）は同光学部材による配光曲線の例を示す図。（ａ）は従来の照明器具に用いられる光学部材の側断面図、（ｂ）は正面図。従来の光学部材を用いたときの光路を示す側断面図。

本発明の第１の実施形態に係る照明器具について、図１乃至図４を参照して説明する。図１に示すように、照明器具１は、光源として用いられる発光素子（以下、ＬＥＤ２）と、このＬＥＤ２が出射する光を配光制御する光学部材３と、ＬＥＤ２を搭載し光学部材３を収容するダイカスト４と、を備える。また、照明器具１は、ＬＥＤ２に非常時にＬＥＤ２に電力供給するバッテリー５と、バッテリー５及びダイカスト４等を収容する本体６と、前面に光学部材３からの光を放射するための開口部を有する外枠７と、を備える。

本体６は、少なくとも一方が開口した円筒形の構造部材であり、バッテリー５及びダイカスト４等を収容する筒部６１と、筒部６１の開口側に鍔部６２を有する。筒部６１は、天井Ｃ１に形成された埋込穴Ｃ０に嵌め入れられ、鍔部６２が天井Ｃ１の室内側面と接触した状態で、所定の係止具又は固定具等（不図示）により天井Ｃ１に固定される。ＬＥＤ２に給電するためのケーブル８は、本体６を埋込穴Ｃ０に取り付ける際に、筒部６１内に挿通され、ダイカスト４に取り付けられたＬＥＤ点灯装置（不図示）に接続される。外枠７は、鍔部６２の外周縁と略同径になるように形成されており、鍔部６２に係止され、筒部６１に収容されたダイカスト４等の脱落を防止する。ダイカスト４は、ＬＥＤ２及びＬＥＤ点灯装置等を実装する基板（不図示）を収容、保持し、放熱性に優れたアルミニウム合金等から形成され、外気に触れる表面積を大きくして放熱性を高めるため複数のフィンが形成される。

ＬＥＤ２には、例えば、青色領域の光を出射する単数又は複数のＬＥＤチップに、黄色蛍光体を含有する透光性樹脂から成る波長変換部材を被覆させた、いわゆる白色ＬＥＤが用いられる。光学部材３は、アクリル樹脂、ポリカーボネート又はガラス等の透光性材料を用いて、後述する形状に形成加工される。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、光学部材３は、ＬＥＤ２の発光中心を通る法線がこの光学部材３の光軸Ｌとなり、この光軸Ｌを軸に回転させた回転体形状の透明なレンズ部材である。光学部材３は、ＬＥＤ２が出射する光を入射する入射面３１と、入射面３１と対向して入射面３１から入射した光を出射する出射面３２と、入射面３１及び出射面３２を接続する側面３３と、を有する。入射面３１は、平坦面とされており、出射面３２は、入射面３１側に凹の摺り鉢状の曲面３２ａを有している。

光学部材３の高さａ（入射面３１と出射面３２の外縁を含む面との距離）と、入射面３１の直径ｂとの比は、０．５≦ａ／ｂ≦１．５であることが好ましく、ａ／ｂ＝１近傍であることがより好ましい。こうすれば、ＬＥＤ２から出射された光のうち、出射面３２に直接的に向かう光と、側面３３により全反射されて出射面３２に集光される光とのバランスを最適化することができる。光学部材の高さａに対して、入射面の直径ｂが大き過ぎる（ａ／ｂが小さ過ぎる）と、入射面３１から入射した光が側面３３に向かわない。一方、光学部材の高さａに対して、入射面の直径ｂが小さ過ぎる（ａ／ｂが大き過ぎる）と、入射面３１から直接的に出射面３２に向かう光が少なくなる。なお、光学部材３の高さａと、入射面３１の直径ｂとの比は、搭載されるＬＥＤ２自体の発光特性（特に、出力や配光曲線）も参照して設定される。

図３に示すように、側面３３は、入射面３１側から出射面３２側に径が小さくなるように傾斜したテーパ形状とされている。この傾斜角θは、０°＜θ≦１０°の範囲であることが好ましく、θ＝４°近傍であることがより好ましい。こうすれば、出射面３２へ効率的に光を全反射することができ、また、出射面３２へ入射する光の入射角を最適化することができる。なお、傾斜角θが大き過ぎると、入射面３１から入射した光の側面３３への入射角が小さくなり、側面３３で全反射することなく透過してロスする光束が多くなる。

出射面３２は、出射面３２の外縁を原点とする放物線を、ＬＥＤ２の発光中心を通る光軸Ｌを軸に回転させた回転体の外郭形状から成る曲面３２ａを有する。放物線は、以下の式で表される。

（数１）
ｙ＝ａｘ^２
ｙ：光軸Ｌと平行方向の座標
ｘ：光軸Ｌと鉛直方向の座標
ａ：係数

上記式の係数ａは０＜ａ＜０．１の範囲であることが好ましく、特に、ａ＝０．０２近傍であることがより好ましい。こうすれば、出射面３２（曲面３２ａ）は、入射面３１から直接的に入射した光、及び側面３３で全反射されて入射した光の両方を、効果的に屈折させて、広角に配光することができる。係数ａが小さ過ぎると、出射面３２が平坦になり、広角配光を得ることができない。一方、係数ａが大き過ぎると、各入射光の入射角が大きくなり、出射面３２を屈折透過することなく、光学部材３内へ全反射してしまい、ロスする光束が多くなる。

図４（ａ）に示すように、本実施形態の光学部材３によれば、入射面３１から側面３３に入射し、この側面３３で全反射された光（全反射光線群Ａ：図中実線矢印）は、出射面３２を屈折透過し、光軸Ｌに対して広角に配光される。入射面３１から比較的広角に放射された光は、側面３３の入射面３１側の領域で全反射され、光軸Ｌの近傍に集光される。この光は、入射面３１と平行な面に対する入射角が大きく、全反射され易い。しかし、光学部材３の出射面３２（曲面３２ａ）のうち、光軸Ｌの近傍は、入射面３１と平行な面に対する傾斜が大きいので、この光の入射角は小さくなる。その結果、この光は、出射面３２で全反射されることなく効率的に屈折透過し、光軸Ｌに対して広角に配光される。一方、側面３３の出射面３２側の領域で全反射された光は、入射面３１と平行な面に対する入射角が小さい。出射面３２の外縁近傍は、入射面３１と平行な面に対する傾斜が小さいので、この光も出射面３２で効率的に屈折透過する。なお、図４（ａ）のように、光路を示す側断面図においては、ハッチングの表記を省略した。また、後述する一部の側断面図においても同様とした。

また、入射面３１から直接的に出射面３２に向かう光（直接光線群Ｂ：図中破線矢印）は、出射面３２を屈折透過し、光軸Ｌに対して広角に配光される。特に、出射面３２は、ＬＥＤ２の前面に位置して最も光束が多い光軸Ｌの近傍の傾斜が大きいので、この領域に入射した光の屈折角を大きくすることができ、光を効率的に分散して、広角な配光とすることができる。

このように構成された光学部材３は、図４（ｂ）に示すように、その配光曲線の例が、いわゆるバットウィング型を描き、光源のＬＥＤ２からの光を広角な配光を得ることができる。特に、全反射光線群Ａは広角に配光され、直接光線群Ｂが相対的に狭角に配光される。これら２つの光線群を制御することで、非常用の照明器具１として要求される所望の配光を実現することができる。また、光学部材３は、出射面３２が凹の擂り鉢状の曲面３２ａから成るので、図４（ａ）に示したように、天井Ｃ１から屋内側に突出せず、照明器具１全体を天井裏に収納でき、設置空間の見栄えを良くすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る照明器具について、図５及び図６を参照して説明する。図５（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態の照明器具に用いられる光学部材３は、出射面３２が、光軸Ｌを中心としてこの光軸Ｌと直交する平坦面３２ｂを更に有するものである。つまり、本実施形態における光学部材３の出射面３２は、曲面３２ａ及び平坦面３２ｂから成る。なお、光学部材３の高さａと、入射面３１の直径ｂとの比は、上記第１の実施形態と同様である。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、曲面３２ａは、上記実施形態と同様に、全反射光線群Ａ（図中実線矢印）及び直接光線群Ｂ（図中破線矢印）を屈折透過して、ＬＥＤ２からの出射光を広角に配光する。また、平坦面３２ｂは、主としてＬＥＤ２から光軸Ｌ近傍に放射された光（直下光線群Ｃ：図中の一点鎖線矢印）を透過して、ＬＥＤ２の直下方向の照度を上げることができる。

この光学部材３において、ＬＥＤ２からの出射光を広角に配光しつつ、ＬＥＤ２の直下照度を上げるには、図５（ａ）に示したように、平坦面３２ｂの径ｃと、出射面３２の外周の径ｄとの比が、０＜ｃ／ｄ≦０．３３の範囲であることが好ましい。特に、ｃ／ｄ＝０．１５近傍であることより好ましい。なお、出射面３２の外周の径ｄとの比は、搭載されるＬＥＤ２自体の発光特性も参照して設定される。本実施形態の光学部材３によれば、上記３つの光線群を制御することで、照明器具直下の照度を一定量保持した非常用の照明器具１の配光を実現することができる。

本実施形態の第１の変形例に係る照明器具について、図７乃至図１０を参照して説明する。図７（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の照明器具に用いられる光学部材３は、側面３３が、入射面３１の近傍の全周に凸部３４を有するものである。図７（ｃ）（ｄ）に示すように、凸部３４は、入射面３１の近傍の一部に設けられていてもよい。

この凸部３４は、図８に示すように、保持具９の係合突起９１と係合されて、器具押さえ部として機能する。この変形例によれば、光学部材３による配光を劣化させずに、光学部材３と光学部材３を収める本体６とのアライメント精度を向上させることができる。

なお、上述した実施形態においては、光学部材３が光軸Ｌを中心とする円錘体であるものに基づいて説明したが、図９（ａ）乃至（ｄ）に示すように、光学部材３は、光軸Ｌを中心とする角錘体であってもよい。また、平坦面３２ｂは、図９（ａ）（ｂ）に示すような角型であっても、図９（ｃ）（ｄ）に示すような丸型であってもよい。このような角錘体の光学部材３によれば、四角形の配光分布で光を照射することができ、照明器具の設置環境に応じて好適な形状を得ることができる。更には、図１０（ａ）乃至（ｄ）に示すように、光学部材３は、光軸Ｌを中心とする多角錘体であってもよい。

本実施形態の第２の変形例に係る照明器具について、図１１及び図１２を参照して説明する。図１１（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の照明器具に用いられる光学部材３は、側面３３が、入射面３１の近傍の全周に凹部３５を有するものである。図１１（ｃ）（ｄ）に示すように、凹部３５は、入射面３１の近傍の一部に設けられていてもよい。

この凹部３５は、図１２に示すように、保持具９の係合枠９２に嵌合されて器具押さえ部として機能する。光学部材３は、保持具９のバネ片９３により更に係止される。この変形例においても、光学部材３と光学部材３を収める本体６とのアライメント精度を向上させることができる。

本実施形態の第３の変形例に係る照明器具について、図１３及び図１４を参照して説明する。図１３（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の照明器具に用いられる光学部材３は、入射面３１が、その外縁近傍の全周に凸部３６を有するものである。図１３（ｃ）（ｄ）に示すように、凸部３６は、入射面３１外縁近傍の一部に設けられていてもよい。

この凸部３６は、図１３に示すように、保持具９の係合溝９４に嵌合されて器具押さえ部として機能する。光学部材３は、保持具９のバネ片９３により更に係止される。この変形例においても、光学部材３と光学部材３を収める本体６とのアライメント精度を向上させることができる。

本実施形態の第４の変形例に係る照明器具について、図１５を参照して説明する。図１５（ａ）（ｂ）に示すように、本変形例の照明器具に用いられる光学部材３は、入射面３１が、ＬＥＤ２を収容する凹部３１ａを有するものである。この変形例によれば、光学部材３による配光を劣化させずに、ＬＥＤ２と、光学部材３とのアライメント精度を向上させ、しかも組立の簡易化を図ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る照明器具について、図１６及び図１７を参照して説明する。図１６（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態の照明器具に用いられる光学部材３は、出射面３２が、光軸Ｌを中心として、光出射方向に凸の球状面３２ｃを更に有するものである。つまり、本実施形態における光学部材３の出射面３２は、曲面３２ａ及び球状面３２ｃから成る。なお、光学部材３の高さａと、入射面３１の直径ｂとの比は、上記第１，２の実施形態と同様である。

図１７（ａ）（ｂ）に示すように、曲面３２ａは、上記実施形態と同様に、全反射光線群Ａ（図中実線矢印）及び直接光線群Ｂ（図中破線矢印）を屈折透過して、ＬＥＤ２からの出射光を広角に配光する。また、球状面３２ｃは、主としてＬＥＤ２から光軸Ｌ近傍に放射された光（直下光線群Ｃ：図中の一点鎖線矢印）を透過して、ＬＥＤ２の直下方向の照度を上げることができる。このとき、球状面３２ｃは、光出射方向に凸なので、集光レンズとして機能する。そのため、直下光線群ＣをＬＥＤ２の光軸Ｌ方向に集光することで、上記第２の実施形態の平坦面３２ｂ（図６（ａ）（ｂ）参照）に比べて、ＬＥＤ２の直下向（狭角位置）の照度を更に上げることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、出射面３２の曲面３２ａ同士が交差する最も凹んだ箇所（図２参照）や、曲面３２ａと平坦面３２ｂとの境界（図５参照）、曲面３２ａと球状部３２ｃとの境界（図１６参照）が、Ｒ状に加工されていてもよい。こうすれば、これらの境界を透過する光による照射ムラを抑制することができる。

１照明器具
２発光素子（ＬＥＤ）
３光学部材
３１入射面
３１ａ凹部
３２出射面
３２ａ曲面
３２ｂ平坦面
３３側面
３３ｃ球状面
３４凸部
３５凹部
Ｌ光軸（発光素子の発光中心を通る法線）

Claims

発光素子と、前記発光素子が出射する光を配光制御する光学部材と、を備えた照明器具であって、
前記光学部材は、前記発光素子の発光中心を通る法線が該光学部材の光軸となり、前記発光素子が出射する光を入射する入射面と、前記入射面と対向して前記入射面から入射した光を出射する出射面と、前記入射面及び出射面を接続する側面と、を有し、
前記側面は、前記入射面側から前記出射面側に径が小さくなるテーパ形状とされ、
前記出射面は、前記入射面側に凹の摺り鉢状の曲面を有し、該曲面は、前記出射面の外縁を原点とする放物線を前記光軸回りに回転させた回転体の外郭形状から成ることを特徴とする照明器具。
前記出射面は、前記光軸を中心として該光軸と直交する平坦面を更に有することを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
前記出射面は、前記光軸を中心として光出射方向に凸の球状面を更に有することを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
前記入射面は、前記発光素子を収容する凹部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の照明器具。
前記側面は、前記入射面の近傍の全周又は一部に凸部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の照明器具。
前記側面は、前記入射面の近傍の全周又は一部に凹部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の照明器具。
前記光学部材は、前記光軸を中心とする円錘体であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の照明器具。
前記光学部材は、前記光軸を中心とする角錘体であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の照明器具。
前記光学部材は、前記光軸を中心とする多角錘体であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の照明器具。