JP5953021B2 - 導光体および照明装置 - Google Patents

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本発明は、導光体および照明装置に関する。
近年、LED(Light Emitting Diode)のハイパワー化、高効率化により、白熱電球の代替えとして、LED照明装置が実用化されてきている。白熱電球は、発光部(フィラメント)がガラスの球殻内の空間に配置され、口金との間に距離があるため、口金の後方(口金に対してフィラメントが配置される方向とは反対の方向)にも光が出射される配光特性を有する。一方、LED照明装置は、発光部が基板に搭載されているため、基板の後方方向(基板に対して発光部が搭載される方向とは反対の方向)に光を出射させ難いという特性がある。そのため、LED照明装置においても白熱電球の配光特性を得られるように、たとえば、特許文献1には、LEDから出射した光を導光体および光源カバーを用いて基板の後方方向に出射させる構成が開示されている。
特開2009−289697号公報
しかしながら、上述の先行技術文献の発明では、光源カバーを用いる必要があり、部品点数の増加を招くという問題がある。
そこで、本発明は、部品点数の増加を抑えて、LEDから出射した光を基板の後方に出射させることができる導光体および照明装置を提供することを課題とする。
上記目的を達成するため、光源から出射された光が光入射面から入射され、この光入射面から入射した光を導光し、光出射面から照明光として出射する導光体において、光入射面の光源に対向する前面が凸レンズとして構成されていると共に、光が導光される導光部を挟んで照明方向の前側に配置される前側面と、照明方向の後側に配置される後側面とを有し、前側面は、前側面の法線であって、前側面から導光部の外部に向かう法線が光源の光軸に交差する第1面と、法線が光軸と交差しない第2面とを有し、導光部の光の導光方向に向かって順に、第1面と第2面とが配置され、第1面は、光入射面から入射した光の一部を第2面に向けて全反射することができる面であり、第2面は、第1面で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面であり、後側面は、前側面の法線方向における前側面との間隔が、全体として、光軸から外側に向かう程せまくなるように配置され、第2面で全反射された光の一部を、光源に対し外方向、かつ照明方向の後方に向けて、全反射または屈折させることができる面を有し、光入射面、前側面および後側面は、光源から出射された光の一部を、光源が実装された実装面よりも後側に配光することができるように構成されていることとする。
また、上記目的を達成するため、光源から出射された光が光入射面から入射され、この光入射面から入射した光を導光し、光出射面から照明光として出射する導光体において、光入射面の光源に対向する前面が凸レンズとして構成されていると共に、光が導光される導光部を挟んで照明方向の前側に配置される前側面と、照明方向の後側に配置される後側面とを有し、前側面は、前側面の法線であって、前側面から導光部の外部に向かう法線が光源の光軸に交差する第1面と、法線が光軸と交差しない第2面とを有し、導光部の光の導光方向に向かって順に、第1面と第2面とが配置され、第1面は、光入射面から入射した光の一部を第2面に向けて全反射することができる面であり、第2面は、第1面で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面であり、後側面は、法線の方向が異なると共に方向の異なる法線が後側面の後方で交差し、外側から内側に向かって全体として後方に傾斜する面を有し、その傾斜面の後側面に占める割合が、後側面のその他の面が占める割合に比べて、大きくなるように構成されており、光入射面、前側面および後側面は、光源から出射された光の一部を、光源が実装された実装面よりも後側に配光することができるように構成されていることとする。
上記導光体の第1面および第2面の少なくとも一方は、光入射面から入射した光を2回以上全反射する面であることとするのが好ましい。
上記導光体の第1面および前記第2面は、それぞれ連続する曲面にて構成されていることが好ましい。
上記導光体は、導光部に光散乱微粒子が含有されていることが好ましい。
上記目的を達成するため、照明装置に、上記導光体と、この導光体に光を入射させる光源とを有することとする。
本発明では、部品点数の増加を抑えて、LEDから出射した光を基板の後方に出射させることができる導光体および照明装置を提供することができる。
本発明の第1の実施の形態に係る導光体および照明装置の構成を示す斜視図である。 図1に示す照明装置について、導光体および光拡散カバーの部分を断面にて示した図である。 図1に示す導光体の断面の構成と、導光体、LED、プリント基板および台座面との配置関係を示す図である。 導光体を透過する光の光路の例を示す図である。 導光体を透過する光の光路の例を示す図である。 図1および図2に示す導光体から出射される光の配光状態と輝度分布のグラフである。 図1および図2に示す導光体に光散乱粒子を含有させたときの光の配光状態と輝度分布のグラフである。 図1および図2に示す導光体に光散乱粒子を含有させたときの光の配光状態と輝度分布のグラフである。 図8に示す配光状態と輝度分布の導光体を備える照明装置に、光拡散カバーを装填したときの照明光の配光状態と輝度分布のグラフである。 本発明の第2の実施の形態に係る導光体および照明装置の構成を示す斜視図である。 図10に示す照明装置について、導光体および光拡散カバーの部分を断面にて示した図である。 図11に示すA部分の拡大図である。 導光体を透過する光の光路の例を示す図である。 導光体を透過する光の光路の例を示す図である。 単一真球粒子による散乱光強度の角度分布(Α、Θ)を示すグラフである。
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態に係る導光体1および照明装置2の構成について、図面を参照しながら説明する。
(照明装置2の概略構成)
図1は、本発明の実施の形態に係る照明装置2を側面から見た図(側面図)である。図2は、図1に示す照明装置2について、導光体1および光拡散カバー3の部分を、光軸X1を含む面における断面にて示した図(一部断面図)である。図1に示す矢印Y1方向は、照明装置2の照明方向(前方/前側)であり、この反対方向である矢印Y2方向が後方(後側)である。光軸X1は、後述するLED5の光軸であり、LED5の配光角の中心線(配光角の二等分線)である。また、照明方向とは、照明装置2から出射する照明光の出射方向であって、光軸X1に沿う方向である。なお、以下の説明において、前後方向に直交する方向、すなわち、光軸X1と直交する方向を側方として記載する。
照明装置2は、発光機構部4と、導光体1と、光拡散カバー3とを有している。発光機構部4は、光源としてのLED5と、プリント基板6と、筐体7とを有している。LED5は、プリント基板6に実装され、図示外の電源から供給される電力により発光可能とされている。LED5が実装されたプリント基板6は、筐体7の前端面である台座面8に取り付けられている。筐体7の内部には、LED5から発生する熱を放熱するための放熱フィンや電源から供給される電力を変圧するための電源ユニットが備えられている。
導光体1は、LED5を側方から前方に亘って覆うことができるように配置されている。導光体1は、台座面8に対して取り付けられている。LED5は、プリント基板6の実装面9に実装されている。LED5が実装面9に実装されているため、LED5から出射した光は、実装面9よりも後方側にほとんど配光されない。しかしながら、後述するように、導光体1は、LED5から出射した光を実装面9よりも後方側に配光することができるように構成されている。したがって、導光体1を備える照明装置2は、照明光の配光角が180度を超えるものとなっている。
(導光体1の構成)
図3は、導光体1の光軸X1を含む面における断面の構成と、導光体1、LED5、プリント基板6および台座面8との配置関係を示す図である。図3は、断面図であるが、図面を判り易くするため、ハッチングを省略している。図4,5についても同様にハッチングを省略している。導光体1は、光軸X1を中心にして回転させた回転対称の形状を呈している。すなわち、導光体1は、図3に示す断面を、光軸X1を中心にして回転させた回転体を呈し、導光体1の光軸は、光軸X1に一致している。なお、以下の説明において、光軸X1から離れる方向を外方向(外側)、光軸X1に近づく方向を内方向(内側)として説明を行うこととする。
導光体1は、透明体であり、たとえば、透明のポリメチルメタクリレート樹脂(以下、「PMMA」と略記する。)により形成することができるほか、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)等により形成することもできる。
導光体1は、図3に示すように、全体として、中央部が後方に凹んだドーム形状を呈し、光入射面10と、導光部11と、前側面12と、後側面13とを有している。光入射面10は、中央部に形成され、光入射面10の周囲に、導光部11、前側面12および後側面13が配置されている。光入射面10、導光部11、前側面12および後側面13は、光軸X1に対して対象な形状に形成されている。光入射面10は、導光体1の後方から前方に向かって凹む凹部14の底面となる前面15と、凹部14の側面16とにより構成される。前面15は、内側に向かって後方に円弧状に突出する凸面に形成されている。すなわち、前面15は、凸レンズとして構成されている。また、側面16は、光軸X1の周囲に円筒状に形成されている。
導光体1は、光軸X1を中心とする回転対象の形状である。つまり、導光体1は、光軸X1を挟む一方側と他方側、たとえば、図3において、光軸X1を挟む左側と右側とにつては、光軸X1に対して左右対称の同一形状であり、LED5から出射した光に対して同一の作用効果を有する。そこで、説明を簡略化し判り易くするため、以下の説明では、図3を参照しながら、光軸X1の右半分の部分の構成を例に取って説明する。
導光部11(図3に示す導光体1の右半分の部分)は、全体として前方に向けて略円弧状に膨出するドームを呈している。導光部11を挟んで、導光部11の前側の面が前側面12として構成され、導光部11の後側の面が後側面13として構成されている。前側面12は、光軸X1側から外方向に向かって、順に、第1面17と第2面18とが形成されている。第1面17は、前側面12に仮想される法線のうち、導光部11が配置される側に対して反対側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H1)を有する面である。第2面18は、前側面12に仮想される法線のうち、導光部11が配置される側に対して反対側に向かう法線であって、光軸X1と交差しない法線(たとえば、法線H2)を有する面である。つまり、第1面17は、外側から内側に向かって後方に傾斜する面であり、第2面18は、内側から外側に向かって後方に傾斜する面である。
後側面13は、光軸X1側から外側に向かって、順に、第3面19と第4面20とが形成されている。第3面19は、後側面13に仮想される法線のうち、導光部11が配置される側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H3)を有する面である。第4面20は、後側面13に仮想される法線のうち、導光部11が配置される側に向かう法線であって、光軸X1と交差しない法線(たとえば、法線H4)を有する面である。つまり、第3面19は、外側から内側に向かって後方に傾斜する面であり、第4面20は、内側から外側に向かって後方に傾斜する面である。
前側面12と後側面13とは、前側面12の法線方向における間隔(たとえば、間隔W1)が、全体として、光軸X1から外側に向かうほど狭くなるように配置されている。すなわち、導光部11は、全体として、光軸X1から外側に向かうにつれて、肉厚が薄くなるように形成されている。導光部11は、実装面9よりも後側に配置される部分である後方部21を有している。したがって、第2面18および第4面20も、後方部21の部分においては、実装面9よりも後側に配置される。
本実施の形態においては、上述の第1面17、第2面18、第3面19および第4面20は、仮想円S1と仮想円S2により規定されている。実施の形態の前側面12は、中心C1が実装面9よりも後方であって光軸X1よりも外方向に位置する仮想円S1の円弧の一部により規定される連続した曲面にて形成されている。また、後側面13は、仮想円S1よりも小さな半径であって、中心C2が実装面9よりも後方であって中心C1よりも外方向に位置する仮想円S2の円弧の一部により規定される連続した曲面にて形成されている。
次に、図4,5に示す光路を参照しながら、光入射面10、前側面12、および後側面13の構成についてさらに説明を行う。図4は、LED5の光軸X1と交差する部分(光出射部5A)から出射する光の光路を例示したものである。図5は、LED5の光軸X1から外れた位置である光出射部5Bから出射する光の光路を例示したものである。
図4に示すように、光入射面10、前側面12、および後側面13は、光出射部5Aから出射する光の多くを、実装面9よりも後側に配光することができるように構成されている。また、図5に示すように、光入射面10、前側面12、および後側面13は、光出射部5Bから出射する光の多くを、実装面9よりも前側に配光することができるように構成されている。
つまり、光入射面10、前側面12および後側面13は、LED5から出射する光のうち、光軸X1に近い部分から出射する光ほど、光軸X1に対する角度が大きな角度で前側面12から出射させることができ、光軸X1から遠い部分から出射する光ほど、光軸X1に対する角度が小さくなる角度で前側面12から出射させることがでるように構成されている。そして、光入射面10、前側面12、および後側面13は、LED5から出射する光を、配光角が180度を超えるように、かつ、配光範囲における輝度の均一化が図られるように、前側面12から出射することができるように構成されている。
光入射面10の一部である前面15は、後方に円弧状に突出する凸面であり、凸レンズの機能を有している。したがって、前面15は、LED5から出射し前面15に入射する光を、光軸X1側に屈折させることができる。図4に示すように、第1面17は、LED5の光出射部5Aから出射し前面15から導光部11内に入射した光の多くを、第1面17よりも外方向に配置される第2面18に向けて全反射することができるように構成されている。そして、第2面18では、第1面17で全反射された光の多くを、後方かつ外方向に向けて全反射することができるように構成されている。第4面20は、第2面18で全反射された光の多くを、外方向かつ後方に向けて全反射することができるように構成されている。第2面18と第4面20とでは、第4面20の方が第2面18に比べて、全反射される光の進行方向が外方向となるように(光軸X1と成す角度が大きくなるように)構成されている。
第1面17で全反射される光の屈折角を大きくすることで、光の進行方向を後方に向けることもできるが、プリント基板6や台座面8により遮光されてしまい易くなる。そこで、先ず、LED5の光出射部5Aから出射し前面15から導光部11内に入射した光の多くを、第1面17により、この第1面17よりも外側に配置される第2面18に入射させるように全反射させる。そして、第1面17で第2面18に向けて全反射された光を、第2面18および第4面20により、外方向かつ後方に向けて全反射させる。このようにLED5から出射された光を、台座面8の外側を通過させ後方に進行させることで、LEDから出射された光は、実装面9よりも後側に配光される。
第4面20は、上述したように、第2面18に比べて全反射される光の進行方向が外方向に向くように構成され、第2面18で全反射された光が台座面8で遮光されてしまわないように、外方向かつ後方に向けて全反射させる機能を有する。第2面18で全反射された光は、第4面20により、第2面18で全反射された光に比べて、光の進行方向が外方向、すなわち、配光角が小さくなる方向に全反射される。しかしながら、第4面20の外方向には第2面18が配置されている。そのため、第4面20で全反射された光を後側に屈折することができ、前側面12から出射する光の配光角を大きくすることができる。
また、図5に示すように、第1面17は、LED5の光出射部5Bから出射し前面15から導光部11内に入射した光の一部について、第1面17から導光部11の外部(前方)に出射し、また、他の一部については、第3面19に向けて全反射することができるように構成されている。第3面19は、第1面17で全反射された光の多くを、前方かつ外方向に向けて全反射することができるように構成されている。第2面18は、第3面19で全反射された光の多くを、前方かつ外方向に向けて出射することができるように構成されている。また、第3面19は、側面16を透過した光の多くを、第2面18に向けて全反射することができるように構成され、第2面18は、第3面19で全反射された光の多くを、前方かつ外方向に向けて出射することができるように構成されている。
上述のように導光体1を構成することで、たとえば、LED5が出射した光を、図6に示す配光角の照明として導光体1から出射させることができる。配光角および輝度分布は、前側面12および後側面13の曲率(仮想円S1,S2の半径)、中心C1と中心C2の配置、前面15の曲率、側面16の大きさを適宜に設定することで、変化させることができる。
上述したように、導光体1は、光源としてのLED5から出射された光が入射する光入射面10と、この光入射面10から入射した光を導光し、光出射面としての機能を有する前側面12から照明光として出射することができるように構成されている。また、導光体1は、光が導光される導光部11を挟んで照明方向の前側に配置される前側面12と、照明方向の後側に配置される後側面13とを有している。そして、前側面12は、前側面12の法線であって、前側面12から導光部11の外部に向かう法線がLED5の光軸X1に交差する第1面17と、該法線が光軸X1と交差しない第2面18とを有している。第1面17と第2面18とは、順に、導光部11の光の導光方向、すなわち内側から外側に向かって配置されている。第1面17は、光入射面10から入射した光の一部を第2面18に向けて全反射することができる面であり、第2面18は、第1面17で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面である。
導光体1は、上記のように、導光部11の光の導光方向に向かって順に、第1面17と第2面18とが配置され、光入射面10から第1面17に入射した光の一部が第2面18に向けて全反射され、そして、第2面18でこの光が後方に向けて全反射されるように構成されている。このように、導光体1は、第1面17および第2面18を備えることで、導光体1から後方に向けて出射する光を作ることができ、導光体1から出射する光の配光角を大きくすることができる。
なお、導光体1は、第1面17および第2面18の少なくとも一方において、光入射面10から入射した光を2回以上全反射するように構成してもよい。
このように全反射する回数を増やすことで、前側面12から光が出射する位置の分散化が図られ、前側面12から出射する光の輝度斑の低減を図ることができる。
本実施の形態においては、第1面17と第2面18は、円弧面であり、それぞれの面および第1面17と第2面18との接続部においても連続する曲面に形成されている。そのため、第1面17、第2面18で全反射する光の反射方向、および第1面17、第2面18から出射する光の出射方向の変化を連続的なものとし易く、前側面12から出射する光の輝度斑の低減を図ることができる。なお、第1面17および第2面18の少なくとも一方を複数の平面を連続させた形状、すなわち、多面体にて構成するようにしてもよい。
ところで、導光体1は、導光体1を形成する透明体に光散乱微粒子を含む光散乱導光体(光を散乱させるための微小な光散乱微粒子が混錬分散された導光体)として構成してもよい。光散乱微粒子を含むことで、照度分布の均一化をより図ることができる。光散乱微粒子は、たとえば、以下に説明するシリコーン粒子により形成することができる。シリコーン粒子は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、光散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。光散乱導光体の内部に光が入射すると、その光は光散乱微粒子によって散乱することになる。
ここで、光散乱粒子(シリコーン粒子)の理論的な基礎を与えるMie散乱理論について説明する。Mie散乱理論は、一様な屈折率を有する媒体(マトリックス)中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子(光散乱粒子)が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子に相当する光散乱粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布I(Α、Θ)は下記(1)式で表される。Αは、光散乱粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子(光散乱粒子)の半径rに相当する量である。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ=180°にとる。
また、(1)式中のi、iは(4)式で表される。そして、(2)〜(4)式中の下添字ν付のaおよびbは(5)式で表される。上添字1および下添字νを付したP(cosΘ)は、Legendreの多項式、下添字ν付のa、bは1次、2次のRecatti−Bessel関数Ψ、ζ(ただし、「*」は下添字νを意味する。)とその導関数とからなる。mはマトリックスを基準にした光散乱粒子の相対屈折率で、m=nscatter/nmatrixである。
図15は、上記(1)〜(5)式に基づいて、単一真球粒子による強度分布I(Α、Θ)を示すグラフである。この図15では、原点Gの位置に光散乱粒子としての真球粒子があり、図15における下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)を示している。そして、原点Gから各曲線までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。ひとつの曲線はΑが1.7であるときの散乱光強度、別の曲線はΑが11.5であるときの散乱光強度、さらに別の曲線はΑが69.2であるときの散乱光強度である。なお、図15においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図15では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。
この図15に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど(ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど)、図15における上方(照射方向の前方)に対して指向性が高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布I(Α、Θ)は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径rと、媒体および光散乱粒子の相対屈折率mとをパラメータとして制御することができる。
このような、単一真球粒子がN個含まれる導光体7に光が入射すると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光部材中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光部材から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数F(Θ)は下記の(6)式で表される。
ここで(6)式中のI(Θ)は、(1)式で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Iの光が導光体7に入射し、距離yを透過した後、光の強度が散乱によりIに減衰したとすると、これらの関係は下記の(7)式で表される。
この(7)式中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の(8)式のように粒子数Nに比例する。なお、(8)式中、σは散乱断面積である。
(7)式から長さLの導光体7を散乱せずに透過する確率P(L)は下記の(9)式で表される。
反対に光路長Lまでに散乱される確率P(L)は下記の(10)式で表される。
これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光部材内での多重散乱の度合いを制御することができる。
以上の関係式により、光散乱粒子のサイズパラメータΑと濁度τとの少なくとも1つをパラメータとして、導光体7内での多重散乱が制御可能である。
ここで、導光体7に含有されている光散乱粒子は、たとえば、平均粒径が2.4μmの透光性のシリコーン粒子とすることができる。また、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度τは、τ=0.49(λ=550nm)とすることができる。
導光体1に光散乱粒子を含有させることで、光散乱粒子を含有させない場合の輝度分布(図6参照)に比べて、図7、図8に示すように、輝度分布の均一化を図ることができる。図7は、光散乱粒子を0.01重量%含有する場合の輝度分布であり、図8は、光散乱粒子を0.03重量%含有する場合の輝度分布である。
なお、照明装置2は、図1、2に示すように、導光体1の周囲に光拡散カバー3を配置する構成とすることが好ましい。光拡散カバー3は、台座面8に対して取り付ける構成とすることができる。光拡散カバー3は、実装面9よりも前方に配置される前方部3Aと実装面9よりも後方に配置される後方部3Bとを有し、半球を超える大きさに構成されている。つまり、光拡散カバー3は、導光体1から配光角180度を超えて出射する光の全部が入射することができるように構成されている。
光拡散カバー3は、導光体1から出射された光を拡散して出射することができるように構成されている。たとえば、光拡散カバー3は、透明樹脂に、上述した光拡散粒子を含有したり、あるいは、光拡散材としてアクリルやポリカーボネイト等の樹脂粒子を含有させたものを用いることができる。また、透明樹脂の表面にマッド処理を施すことで光拡散が行われるようにしたものを用いることができる。
導光体1から出射された光を、光拡散機能を有する光拡散カバー3を透過させることで、照度斑の均一化を図ることができる。具体的には、たとえば、図8に示す配光特性および輝度分布を有する導光体1を備える照明装置2に光拡散カバー3を備えることで、図9に示すように、照明光の配光角を広く保ちながら、かつ、輝度分布の均一化を図ることができる。
なお、上述の実施の形態では、導光体1は光軸X1に対して回転対称の形状を呈しているが、導光体1は、光軸X1に対して所定の中心角、たとえば、180度、あるいは90度で切り出した部分を導光体1として用いてもよい。
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態に係るが導光体30および照明装置31の構成について、図面を参照しながら説明する。図10は、照明装置31の構成を示す斜視図である。図11は、図10に示す照明装置31について、導光体30の部分を、光軸X1を含む面における断面にて示した図(一部断面図)である。図12は、図11に示すA部分の拡大図である。図12は、断面図であるが、図面を判り易くするため、ハッチングを省略している。図13,14についても同様にハッチングを省略している。
(照明装置31の概略構成)
図10〜14に示す矢印Y1方向は、照明装置2の照明方向(前方/前側)であり、この反対方向である矢印Y2方向は後方(後側)である。なお、以下の説明において、前後方向に直交する方向、すなわち、光軸X1と直交する方向を側方として記載する。
照明装置31は、発光機構部32と、導光体30とを有している。発光機構部32は、光源としての複数のLED33と、プリント基板34と、筐体35とを有している。プリント基板34は、円環状を呈している。複数のLED33は、プリント基板34の円環に沿って実装されている。つまり、複数のLED33は、円環状に配置されている。
光軸X1は、複数のLED33が円環状に配置されて構成される光源の光軸であり、複数のLED33による照明光の配光の配光角の中心線(配光角の二等分線)である。LED33は、図示外の電源から供給される電力により発光可能とされている。LED33が実装されたプリント基板34は、筐体35の前端面である台座面36に取り付けられている。筐体35の内部には、LED33から発生する熱を放熱するための放熱フィンや電源から供給される電力を変圧するための電源ユニットが備えられている。
導光体30は、円環状に配置されたLED33に対応して円環状を呈している。したがって、各LED33の前方には、導光体30が配置されている。導光体30は、図示を省略する支持体を介して台座面36に対して取り付けられている。LED33は、プリント基板34の実装面37に実装されている。LED33が実装面37に実装されているため、LED33から出射した光は、実装面37よりも後方側にほとんど配光されない。しかしながら、後述するように、導光体30は、LED33から出射した光を実装面37よりも後方側に配光することができるように構成されている。したがって、導光体30を備える照明装置31は、照明光の配光角が180度を超えるものとなっている。
(導光体30の構成)
導光体30は、光軸X1を中心にして回転させた回転対称の形状を呈している。すなわち、導光体30は、図11に示す断面を、光軸X1を中心にして回転させた回転体を呈し、導光体30の光軸は、光軸X1に一致している。なお、以下の説明において、光軸X1から離れる方向を外方向(外側)、光軸X1に近づく方向を内方向(内側)として説明を行うこととする。
導光体30は、透明体であり、たとえば、透明のポリメチルメタクリレート樹脂(以下、「PMMB」と略記する。)により形成することができるほか、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)等により形成することもできる。
導光体30は、図10に示すように、環状を呈している。導光体30は、図10から図12に示すように、環体の外周側において、後方から前方に向かうにしたがって内側から外側に競り出るような形状を呈している。また、導光体30は、光入射面38と、導光部39と、前側面40と、後側面41とを有している。そして、導光体30は、全体として、前方に向けて立ち上がる立上部42と、この立上部42の先端部において外方向に向けて突出する突出部43と有している。立上部42および突出部43は、光軸X1を中心に円環を呈するように構成されている(図10参照)。また、光入射面38、前側面40および後側面41も、それぞれ、光軸X1を中心に円環を呈するように構成されている。
上述のように、導光体30は、光軸X1を中心とする回転対象の形状である。つまり、導光体30は、光軸X1を挟む一方側と他方側、たとえば、図11において、光軸X1を挟む左側と右側とについては、光軸X1に対して左右対称の同一形状であり、LED33から出射した光に対して同一の作用効果を有する。そこで、説明を簡略化し判り易くするため、以下の説明では、図12を参照しながら、光軸X1の右半分の部分構成を例に取って説明する。
導光体30の後端面は、光入射面38として形成されている。光入射面38の後方には、LED33が配置されている。光入射面38は、外側から内側に向かって後方に円弧状に突出する凸面に形成されている。つまり、光入射面38は凸レンズの機能を有している。
導光体30は、導光部39を挟んで、導光部39の前側の面が前側面40として構成され、導光部39の後側の面が後側面41として構成されている。前側面40は、光入射面38側から前方に向かって、順に、第1面44、第1面45そして第2面46が形成されている。第1面44および第1面45は、立上部42の前側面40の部分を構成し、第2面46は突出部43の前側面40の部分を構成する。
第1面44は、前側面40に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に対して反対側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H5)を有する面である。第1面45も、前側面40に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に対して反対側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H6)を有する面である。つまり、第1面44および第1面45は、第1面として構成され、外側から内側に向かって後方に傾斜する面である。第1面44は、第1面45に比べて勾配が急な斜面として構成されている。
第2面46は、前側面40に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に対して反対側に向かう法線であって、光軸X1と交差しない法線(たとえば、法線H7)を有する面である。つまり、第2面46は、第2面として構成され、内側から外側に向かって後方に傾斜する面である。
後側面41は、全体として、外側から内側に向かって後方に傾斜する面である。具体的には、光入射面38側から前方に向かって、順に、第3面47、第4面48、第5面50そして第6面51が形成されている。第3面47および第4面48は、立上部42の後側面41の部分を構成する。第5面50および第6面51は、突出部43の後側面41の部分を構成する。
第3面47は、後側面41に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H8)を有する面である。第4面48も、後側面41に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H9)を有する面である。第3面47および第4面48は、外側から内側に向かって後方に傾斜する面であり、第3面47は、第4面48に比べて勾配が急な斜面として構成されている。第5面50は、光軸X1に直交する方向に形成される面である。第6面51は、後側面41に仮想される法線のうち、導光部39が配置される側に向かう法線であって、光軸X1と交差する法線(たとえば、法線H10)を有する面である。第6面51と第1面45とは、外側の端部において互いに連続している。
なお、前側面40は、第2面46の占める割合に比べて、第1面44および第1面45の占める割合が大きく構成されている。また、後側面41は、第5面50および第6面51の占める割合に比べて、第3面47および第4面48の占める割合が大きく構成されている。
次に、図13、14に示す光路を参照しながら、光入射面38、前側面40、および後側面41の構成についてさらに説明する。図13は、光入射面38の光軸X2(凸レンズとして構成される光入射面38の光軸)と交差する部分から外れた位置である光出射部33Aから出射する光の光路を例示したものである。図14は、光入射面38の光軸X2と交差する部分(光出射部33B)から出射する光の光路を例示したものである。
図13に示すように、光入射面38、前側面40、および後側面41は、光出射部33Aから出射する光の多くを、実装面37よりも後側に配光することができるように構成されている。また、図14に示すように、光入射面38、前側面40、および後側面41は、光出射部33Bから出射する光の多くを、実装面37よりも前側に配光することができるように構成されている。つまり、光入射面38、前側面40および後側面41は、LED33から出射する光のうち、光軸X2から離れた部分から出射する光ほど、実装面37よりも後側に配光することができ、光軸X2に近い部分から出射する光ほど、実装面37よりも前側に配光することができるように構成されている。
光入射面38は、後方に円弧状に突出する凸面であり、凸レンズの機能を有している。したがって、光入射面38は、LED33から出射し光入射面38に入射する光を、光軸X2側に屈折させることができる。図13に示すように、第1面44および第1面45は、光出射部33Aから出射した光の多くを第2面46に全反射することができるように構成されている。第2面46は、第1面44または第1面45にて全反射された光の多くを、第5面50または第6面51に向けて反射されるように構成されている。第5面50は、光軸X1に直交する方向に沿う面であり、また、第6面51は、外側から内側に向かって後方に傾斜する面である。したがって、第1面44または第1面45にて第2面46に向けて全反射され、さらに、第2面46にて第5面50または第6面51に向けて全反射された光の多くは、第5面50または第6面51からやや外方向に屈折され、後方側に向けて出射される。
図14に示すように、第1面44および第1面45は、光出射部33Bから出射し、第1面44または第1面45に入射した光の多くを導光部39の外側に出射することができるように構成されている。第3面47および第4面48は、光出射部33Bから出射した光の内、第3面47または第4面48に入射した光の多くを、第1面44または第1面45に向けて全反射させることができるように構成されている。そして、第1面44および第1面45は、光出射部33Bから出射し第3面47または第4面48で第1面44または第1面45に向けて全反射させられた光の多くを導光部39の外側に出射することができるように構成されている。また、第2面46は、第1面44または第1面45で全反射された光の多くを、前方かつ外方向に向けて出射することができるように構成されている。
上述のように前側面40(第1面44、第1面45、第2面46)および後側面41(第3面47、第4面48、第5面50、第6面51)を構成することで、図13、14に示すように、LED33から出射された光は、180度を超える配光角で、かつ、配光範囲における輝度の均一化が図られて導光部39から出射させられる。配光角および輝度分布は、第1面44、第1面45、第2面46、第3面47,第4面48、第5面50および第6面51の傾斜角度や各面の長さ、光入射面38の曲率等を適宜に設定することで、変化させることができる。
上述したように、導光体30は、光源としてのLED33から出射された光が入射する光入射面38としての光入射面38と、この光入射面38から入射した光を導光し、光出射面としての機能を有する前側面40および後側面41から照明光として出射することができるように構成されている。また、導光体30は、光が導光される導光部39を挟んで照明方向の前側に配置される前側面40と、照明方向と後側に配置される後側面41とを有している。そして、前側面40は、前側面40の法線であって、前側面40から導光部39の外部に向かう法線がLED33の光軸X1に交差する第1面44および第1面45と、該法線が光軸X1と交差しない第2面46とを有している。第1面44、第1面45そして第2面46は、順に、導光部39の光の導光方向、すなわち光入射面から前方に向かって配置されている。第1面44および第1面45は、光入射面38から入射した光の一部を第2面46に向けて全反射することができる面であり、第2面46は、第1面44および第1面45で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面である。
導光体30は、上記のように、導光部39の光の導光方向に向かって、順に、第1面44、第1面45そして第2面46が配置され、光入射面38から第1面44または第1面45に入射した光の一部が第2面46に向けて全反射され、そして、第2面46でこの光が後方に向けて全反射されるように構成されている。このように、導光体30は、第1面44、第1面45および第2面46を備えることで、導光体30から後方に向けて出射する光を作ることができ、導光体30から出射する光の配光角を大きくすることができる。
第2面46が形成される突出部43は、立上部42の前端に配置されている。そのため、第2面46と実装面37の距離を長くすることができる。第5面50または第6面51から出射する光(第2面46で後方側に向けて反射された光)の多くは、外方向に向けて出射されるため、後方に進行するほど、光軸X2との間隔が広がる。したがって、第2面46と実装面37の距離を長くすることで、第5面50または第6面51から出射する光を、台座面36に遮光されないようにしながら後方に照射させ易くなる。突出部43は、立上部42の前端に配置されていることに加えて、立上部42から外方向に突出している。これにより、一層、第5面50または第6面51から出射する光と、光軸X2との間隔を広げることができ、台座面36に遮光されないようにしながら後方に照射させ易くなる。
上述したように、前側面40は、第2面46の占める割合に比べて、第1面44および第1面45の占める割合が大きく構成されている。そのため、光入射面38から導光部39に入射した光を、第1面44または第1面45から導光部39の外部に出射させる量を多くさせ易く出来ると共に、第1面44または第1面45で第2面46に向けて全反射させる光の量についても増やすことができる。たとえば、第2面46の占める割合が、第1面44および第1面45の占める割合に比べて大きく構成された場合には、第2面46で後方に向かって全反射され、第5面50または第6面51から後方に向かって出射する光の量が大きくなり易く、輝度分布の均一化を図り難くなり易い。
また、後側面41は、第5面50および第6面51の占める割合に比べて、第3面47および第4面48の占める割合が大きく構成されている。これにより、光入射面38から導光部39に入射し、第3面47または第4面48で第1面44または第1面45に向けて全反射させる光の量を増やすことができる。このため、第1面44または第1面45から導光部39の外部に出射させる量を多くすることができ、光の利用効率を高くすることができる。たとえば、第5面50および第6面51の占める割合が、第3面47および第4面48の占める割合に比べて大きく構成された場合には、光軸X2よりも外方向に向けて出射される光の利用効率が低下し易い。
LED33の側方には、導光体30が配置されていない。そのため、導光体30と実装面37および台座面36の間隙52を通過してLED33の出射光を側方に出射することができる。第1面44、第1面45および第2面46は全体として前方に向く面であり、また第3面47、第4面48、第5面50および第6面51は全体として後方に向く面である。そのため、導光体30から出射する光は、側方についての輝度が低下し易い。しかしながら、LED33の出射光を、間隙52を通過させて側方に出射させることで、側方についての輝度の向上を図ることができる。
なお、導光体30は、第1面44および第1面45の少なくとも一方において、光入射面38から入射した光を2回以上全反射するように構成してもよい。
このように全反射する回数を増やすことで、前側面40から光が出射する位置の分散化が図られ、前側面40から出射する光の輝度斑の低減を図ることができる。
本実施の形態においては、第1面44は平面であり、第1面45は円弧面である。第1面44と第1面45との接続部は連続する曲面に形成されている。そのため、第1面44、第1面45で全反射する光の反射方向、および第1面44、第1面45から出射する光の出射方向の変化を連続的なものとし易く、前側面40から出射する光の輝度斑の低減を図ることができる。なお、第1面44および第1面45の少なくとも一方を複数の平面を連続させた形状、すなわち、多面体にて構成するようにしてもよい。
なお、照明装置31は、照明装置2と同様に導光体30の側方から前方に亘って光拡散カバーを備える構成としてもよい。光拡散カバーを備えることで、導光体30から出射する照明光の輝度分布の一層の均一化を図ることができる。また、導光体30は、導光体30を形成する透明体に光散乱微粒子を含む光散乱導光体として構成してもよい。係る構成とすることで、導光体30から出射する照明光の輝度分布の一層の均一化を図ることができる。
なお、上述の実施の形態では、導光体30は円環状を呈しているが、導光体30は、光軸X1に対して所定の中心角、たとえば、180度、あるいは90度で切り出した部分を導光体30として用いてもよい。
1,30 … 導光体
2,31 … 照明装置。
5,33 … LED(光源)
10,38 … 光入射面
11,39 … 導光部
12,40 … 前側面
13,41 … 後側面
17,44,45 … 第1面
18,46 … 第2面
H1〜H10 … 法線
X1 … 光軸

Claims (6)

  1. 光源から出射された光が光入射面から入射され、この光入射面から入射した光を導光し、光出射面から照明光として出射する導光体において、
    前記光入射面の前記光源に対向する前面が凸レンズとして構成されていると共に、光が導光される導光部を挟んで照明方向の前側に配置される前側面と、照明方向の後側に配置される後側面とを有し、
    前記前側面は、前記前側面の法線であって、前記前側面から前記導光部の外部に向かう法線が前記光源の光軸に交差する第1面と、前記法線が前記光軸と交差しない第2面とを有し、
    前記導光部の光の導光方向に向かって順に、前記第1面と前記第2面とが配置され、
    前記第1面は、前記光入射面から入射した光の一部を前記第2面に向けて全反射することができる面であり、
    前記第2面は、前記第1面で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面であり、
    前記後側面は、前記前側面の法線方向における前記前側面との間隔が、全体として、光軸から外側に向かう程せまくなるように配置され、前記第2面で全反射された光の一部を、前記光源に対し外方向、かつ照明方向の後方に向けて全反射させることができる面を有し、
    前記光入射面、前記前側面および前記後側面は、前記光源から出射された光の一部を、前記光源が実装された実装面よりも後側に配光することができるように構成されている、
    ことを特徴とする導光体。
  2. 光源から出射された光が光入射面から入射され、この光入射面から入射した光を導光し、光出射面から照明光として出射する導光体において、
    前記光入射面の前記光源に対向する前面が凸レンズとして構成されていると共に、光が導光される導光部を挟んで照明方向の前側に配置される前側面と、照明方向の後側に配置される後側面とを有し、
    前記前側面は、前記前側面の法線であって、前記前側面から前記導光部の外部に向かう法線が前記光源の光軸に交差する第1面と、前記法線が前記光軸と交差しない第2面とを有し、
    前記導光部の光の導光方向に向かって順に、前記第1面と前記第2面とが配置され、
    前記第1面は、前記光入射面から入射した光の一部を前記第2面に向けて全反射することができる面であり、
    前記第2面は、前記第1面で全反射された光の一部を照明方向の後側に向けて全反射することができる面であり、
    前記後側面は、法線の方向が異なると共に前記方向の異なる法線が前記後側面の後方で交差し、外側から内側に向かって全体として後方に傾斜する面を有し、その傾斜面の前記後側面に占める割合が、前記後側面のその他の面が占める割合に比べて、大きくなるように構成されており、
    前記光入射面、前記前側面および前記後側面は、前記光源から出射された光の一部を、前記光源が実装された実装面よりも後側に配光することができるように構成されている、
    ことを特徴とする導光体。
  3. 請求項1または2に記載される導光体であって、
    前記第1面および前記第2面の少なくとも一方は、前記光入射面から入射した光を2回以上全反射する面である、
    ことを特徴とする導光体。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の導光体であって、
    前記第1面および前記第2面は、それぞれ連続する曲面にて構成されている、
    ことを特徴とする導光体。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載の導光体において、
    前記導光部には、光散乱微粒子が含有されている、
    ことを特徴とする導光体。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載の導光体と、
    前記導光体に光を入射させる光源と、
    を有することを特徴とする照明装置。
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