JP5964714B2 - 光束制御部材、発光装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子から出射された光の配光を制御する光束制御部材ならびに前記光束制御部材を有する発光装置および照明装置に関する。

近年、省エネルギーや環境保全の観点から、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」ともいう）を光源とする照明装置（例えば、ＬＥＤ電球）が、白熱電球に代わるものとして使用されている。しかしながら、従来のＬＥＤを光源とする照明装置は、前方方向のみに光を出射し、白熱電球のように幅広い方向に光を出射することができない。このため、従来の照明装置は、白熱電球のように天井や壁面からの反射光を利用して室内を広範囲に照らすことができない。

従来のＬＥＤを光源とする照明装置の配光特性を白熱電球の配光特性に近づけるため、ＬＥＤからの出射光の配光を光束制御部材で制御することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１は、特許文献１に記載の照明装置の構成を示す要部断面図である。図１に示されるように、照明装置１０は、基板上に配置された複数のＬＥＤ１２と、ＬＥＤ１２の周囲に配置された光透過性材料からなる円筒形のケース１４とを有する。ケース１４の上面は、逆円錐台形状に形成されている。円錐台の斜面は、光を反射させるアルミ板１６が貼り付けられており、反射面として機能する。一方、円錐台の平面は、光を透過させる透過窓１８として機能する。図１において矢印で示されるように、ＬＥＤ１２から出射された光の一部は、透過窓１８を通過して前方方向（上方向）への出射光となる。また、ＬＥＤ１２から出射された光の一部は、アルミ板１６で反射して側方方向（水平方向）および後方方向（下方向）への出射光となる。

このように光束制御部材を用いてＬＥＤからの出射光の進行方向を制御することにより、前方方向だけでなく、側方方向および後方方向への出射光を得ることができる。したがって、特許文献１に記載の光束制御部材（反射面）を使用することで、照明装置（ＬＥＤ電球）の配光特性を白熱電球の配光特性にある程度近づけることができる。

特開２００３−２５８３１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の照明装置には、配光特性のバランスが悪いという問題がある。特許文献１に記載の照明装置１０を使用した場合、図１に示されるように、ケース１４の上端より前方方向の空間Ａには、ＬＥＤ１２からの出射光のみが届く。一方、ケース１４の上端より後方方向の空間Ｂには、ＬＥＤ１２からの出射光だけでなくアルミ板１６からの反射光も届く。そのため、空間Ａと空間Ｂとでは、明るさが異なってしまうことになる。したがって、特許文献１に記載の照明装置１０にカバー２０を被せた場合、図２に示されるように、カバー２０に到達する光の量が、カバー２０の上部と下部で大きく異なってしまうため、カバー２０に明暗の境界線ができてしまう。

本発明の目的は、発光素子を有する照明装置に用いられる光束制御部材であって、前方方向、側方方向および後方方向の少なくとも二方向にバランスよく配光することができる光束制御部材を提供することである。また、本発明の別の目的は、この光束制御部材を有する発光装置および照明装置を提供することである。

本発明に係る光束制御部材は、発光素子から出射された光の配光を制御するための光束制御部材であって、前記発光素子に対向して配置される第１光束制御部材と、前記第１光束制御部材に対向して配置される第２光束制御部材と、を有し、
前記第１光束制御部材は、前記発光素子の光軸が回転軸となる回転対称性を有する円環状の突起を複数有し、前記発光素子に対向するフレネルレンズ部と、前記第２光束制御部材に対向し、前記フレネルレンズ部で制御された光を前記第２光束制御部材に向けて出射する出射面と、を有し、前記円環状の突起は、前記発光素子から出射された光の一部を入射する内側の第１傾斜面と、前記第１傾斜面に入射した光の一部を前記第２光束制御部材に向けて反射する外側の第２傾斜面と、を有し、
前記第２光束制御部材は、前記第１光束制御部材の出射面と対向し、前記第１光束制御部材から出射され前記第２光束制御部材に到達した光の一部を反射させ、残部を透過させる反射面を有し、前記反射面は、前記光軸を回転軸とする回転対称面であり、前記回転対称面の母線が前記第１光束制御部材に対して凹の曲線となるように形成され、
前記反射面の外周部は、前記反射面の中心部と比較して、前記光軸の方向における前記発光素子からの距離が離れた位置に形成され、
前記フレネルレンズ部は、隣り合う前記円環状の突起の間に形成される谷の底と前記発光素子が実装される実装面との前記光軸の方向における距離が、外側から前記光軸に近づくにつれて漸増する傾斜フレネルレンズ部を含む、構成を採る。

本発明に係る発光装置は、少なくとも１つの発光素子と、本発明に係る光束制御部材と、を有する、構成を採る。

本発明の照明装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置からの出射光を拡散させつつ透過させるカバーと、を有する、構成を採る。

本発明の光束制御部材は、前方方向、側方方向および後方方向の少なくとも二方向にバランスよく配光させることができる。したがって、本発明の発光装置は、広範囲に発光し、本発明の照明装置は、白熱電球のように室内を広範囲に照らすことができる。

特許文献１に記載の照明装置の構成を示す要部断面図である。 特許文献１に記載の照明装置にカバーを設けた場合の要部断面図である。 本発明の実施の形態１に係る照明装置の部分断面図である。 実施の形態１に係る照明装置における発光素子の平面視したときの配置を示す図である。 実施の形態１に係る光束制御部材の断面図である。 図６Ａは、実施の形態１に係る光束制御部材の第１光束制御部材およびホルダーの平面図である。図６Ｂは、図６Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図６Ｃは、第１光束制御部材およびホルダーの底面図である。図６Ｄは、第１光束制御部材およびホルダーの側面図である。 図７Ａは、実施の形態１に係る光束制御部材の第２光束制御部材の平面図である。図７Ｂは、図７Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図７Ｃは、第２光束制御部材の底面図である。図７Ｄは、第２光束制御部材の側面図である。 図８Ａは、略平板状の第１光束制御部材を有する光束制御部材を用いたときの、最も外側に配置された発光素子からの出射光の光路を示す図である。図８Ｂは、図８Ａ中の円Ｂで囲まれた部分を拡大して示す図である。 図９Ａは、略平板状の光束制御部材を有する発光装置の部分断面図である。図９Ｂは、図９Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１０Ａは、実施の形態１に係る光束制御部材を用いたときの、最も外側に配置された発光素子からの出射光の光路を示す図である。図１０Ｂは、図１０Ａ中の円Ｂで囲まれた部分を拡大して示す図である。 図１１Ａは、実施の形態１に係る発光装置の部分断面図である。図１１Ｂは、図１１Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１２Ａは、実施の形態２に係る発光装置の部分断面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１３Ａは、実施の形態３に係る発光装置の部分断面図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１４Ａは、図１３Ａ中の円Ａで囲まれた部分を拡大して示す図である。図１４Ｂは、図１４Ａに示される部分の変形例を示す図である。 図１５Ａは、略平板状の光束制御部材と１つの発光素子を有する発光装置の部分断面図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１６Ａは、実施の形態１に係る光束制御部材と１つの発光素子を有する発光装置の部分断面図である。図１６Ｂは、図１６Ａで示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１７Ａは、実施の形態３に係る光束制御部材と１つの発光素子を有する発光装置の部分断面図である。図１７Ｂは、図１７Ａで示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。 図１８Ａは、透過率２１％の第２光束制御部材を装着した照明装置の全方位の照度を相対強度で示すグラフである。図１８Ｂは、透過率１３％の第２光束制御部材を装着した照明装置の全方位の照度を相対強度で示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る照明装置の代表例として、白熱電球に代えて使用されうる照明装置について説明する。

［照明装置の構成］
図３は、本発明の実施形態１に係る照明装置１００の部分断面図である。図３に示されるように、照明装置１００は、筐体１１０、基板１２０、発光素子１３０、光束制御部材１４０およびカバー１６０を有する。以下、各構成要素について説明する。

（１）筐体および基板
筐体１１０は、筐体１１０の一端面の外側にある段部の縁から筐体１１０の他端側に向けて傾斜する傾斜面１１０ａと、筐体１１０の他端に配置される口金１１０ｂと、を有する。さらに筐体１１０は、発光素子１３０からの熱を放出するためのヒートシンクを兼ねている。口金１１０ｂおよびヒートシンク内部には、口金１１０ｂと発光素子１３０とを電気的に接続する不図示の電源回路が配設されている。傾斜面１１０ａは、カバー１６０から後方方向へ出射された光を遮らないために形成されている。基板１２０は、筐体１１０の一端面上に配置されている。基板１２０の形状は、発光素子１３０を実装することができれば特に限定されず、板状でなくてもよい。

（２）発光素子
発光素子１３０は、照明装置１００の光源であり、筐体１１０上に固定された基板１２０の表面に実装されている。基板１２０の表面は、発光素子１３０の実装面に相当する。発光素子１３０は、発光素子１３０の光軸ＬＡが基板１２０の法線に沿うように、基板１２０上に配置される。たとえば、発光素子１３０は、白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。「発光素子の光軸」とは、発光素子からの立体的な光束の中心における光の進行方向を言う。発光素子が複数ある場合は、複数の発光素子からの立体的な光束の中心における光の進行方向を言う。図４は、平面視したときの発光素子１３０の配置を示す図である。たとえば、複数の発光素子１３０は、図４に示されるように、平面視したときに、光軸ＬＡに対して互いに点対称の位置に配置される。

（３）光束制御部材
図５は、光束制御部材１４０の断面図である。光束制御部材１４０は、発光素子１３０から出射された光の配光を制御する。図５に示されるように、光束制御部材１４０は、発光素子１３０に対向して配置される第１光束制御部材１４１、第１光束制御部材１４１に対向して配置される第２光束制御部材１４２およびホルダー１５０を含む。

（３−１）第１光束制御部材
図６Ａ〜Ｄは、第１光束制御部材１４１およびホルダー１５０の構成を示す図である。図６Ａは、第１光束制御部材１４１およびホルダー１５０の平面図であり、図６Ｂは、図６Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図６Ｃは、第１光束制御部材１４１およびホルダー１５０の底面図であり、図６Ｄは、第１光束制御部材１４１およびホルダー１５０の側面図である。第１光束制御部材１４１は、発光素子１３０から出射された光の一部の進行方向を制御する。第１光束制御部材１４１は、第１光束制御部材１４１からの出射光の配光が発光素子１３０からの出射光の配光よりも狭まるように機能する。図６Ａに示されるように、第１光束制御部材１４１は、平面視形状が略円形に形成されている。第１光束制御部材１４１は、ホルダー１５０と一体的に形成されており、その中心軸ＣＡ１が発光素子１３０の光軸ＬＡと一致するように、発光素子１３０に対して空気層を介して配置される（図５参照）。

図５に示されるように、第１光束制御部材１４１は、屈折部１６１と、フレネルレンズ部１６２と、出射面１６３とを有する。出射面１６３側を第１光束制御部材１４１の表側とすると、屈折部１６１は、第１光束制御部材１４１の裏側面における中心部に形成されている。

屈折部１６１の形状は、中心軸ＣＡ１を中心軸とする回転対称（円形）である。屈折部は、例えば、平面、球面、非球面、屈折型のフレネルレンズまたはこれらの組み合わせによって構成されうる。屈折部１６１は、第１光束制御部材１４１の裏側面における中央に位置する円形部と、その周囲を囲む幾つかの小さな円環状の突起１６２ａによって構成されている。円環状の突起１６２ａの円心は、中心軸ＣＡ１に合致している。

フレネルレンズ部１６２は、平面視したときに屈折部１６１を囲む環状に形成されている。フレネルレンズ部１６２は、光軸ＬＡ上に中心が位置する円環状の突起１６２ａを複数有する。円環状の突起１６２ａは、屈折部１６１に含まれる円環状の突起１６２ａよりも大きい。円環状の突起１６２ａは、内側の第１傾斜面１６２ｂと外側の第２傾斜面１６２ｃとを有する。最も外側の第２傾斜面１６２ｃの外縁と出射面１６３の外縁との間には、フランジ部１４８が形成されていてもよい。

第１傾斜面１６２ｂは、円環状の突起１６２ａの頂縁から円環状の突起１６２ａの内側の底縁（谷底）に至る面であり、第１光束制御部材１４１の中心軸ＣＡ１を中心とする回転対称面である。すなわち、第１傾斜面１６２ｂは、中心軸ＣＡ１を中心軸とする円環形状に形成されている。第１傾斜面１６２ｂの傾斜角は、それぞれ異なっていてもよいし、光軸ＬＡと平行（傾斜角９０°）の場合を含みうる。第１傾斜面１６２ｂの母線は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。なお、「母線」とは、一般的に線織面を描く直線を意味するが、本発明では回転対称面である第１傾斜面１６２ｂを描くための曲線を含む語として用いる。第１傾斜面１６２ｂが曲面である場合における第１傾斜面１６２ｂの傾斜角は、第１傾斜面１６２ｂの接線の、中心軸ＣＡ１に対する角度である。

第２傾斜面１６２ｃは、円環状の突起１６２ａの頂縁から円環状の突起１６２ａの外側の底縁（谷底）に至る面である。第２傾斜面１６２ｃは、第１光束制御部材１４１の中心軸ＣＡ１を取り囲むように形成された回転対称面である。第２傾斜面１６２ｃの直径は、円環状の突起１６２ａの頂縁から底縁に向けて漸増している。第２傾斜面１６２ｃを構成する母線は、外側（中心軸ＣＡ１から離れる側）に凸の円弧状曲線である。また、照明装置１００に求められる配光特性に応じて、第２傾斜面１６２ｃを構成する母線を直線としてもよい。すなわち、第２傾斜面１６２ｃは、テーパー形状であってもよい。なお、「母線」とは、一般的に線織面を描く直線を意味するが、本発明では回転対称面である第２傾斜面１６２ｃを描くための曲線を含む語として用いる。第２傾斜面１６２ｃの傾斜角は、個々の第２傾斜面１６２ｃで異なっていてもよい。第２傾斜面１６２ｃが曲面である場合における第２傾斜面１６２ｃの傾斜角は、第２傾斜面１６２ｃの接線の、中心軸ＣＡ１に対する角度である。

フレネルレンズ部１６２は、傾斜フレネルレンズ部１６２ｄを含んでいる。傾斜フレネルレンズ部１６２ｄは、複数の円環状の突起１６２ａによって形成されている。傾斜フレネルレンズ部１６２ｄは、隣り合う円環状の突起１６２ａの間に形成される谷の底と発光素子１３０との中心軸ＣＡ１方向における距離が、最も外側の谷で最も小さく、かつ中心軸ＣＡ１に近づくにつれて漸増するように形成されている。たとえば、傾斜フルネルレンズ部１６２ｄでは、中心軸ＣＡ１方向において、最も外側の谷からホルダー１５０の下端縁に形成された下側段部１５１までの距離Ｖ１は最も小さく、最も中心軸ＣＡ１に近い谷から下側段部１５１までの距離Ｖ２は最も大きい（図５参照）。傾斜フレネルレンズ部１６２ｄの外側に円環状の突起１６２ａがさらに形成されていてもよい。このさらなる円環状の突起１６２ａによって形成される谷の底から下側段部１５１までの距離は特に限定されない。なお、下側段部１５１は、ホルダー１５０の下端面の内縁が切り欠かれて形成された段差である。たとえば下側段部１５１は、光束制御部材１４０が筐体１１０に装着されたときに、基板１２０が固定されている筐体１１０の一端面の縁に当接し、基板１２０の表面（実装面）と平行になる（図３参照）。下側段部１５１は、実装面に対してこのような位置関係にあるので実装面と第１光束制御部材１４１との位置決め部として機能し、中心軸ＣＡ１方向における上記谷の底から実装面までの距離を比較する場合に、実装面の位置の代わりに下側段部１５１の位置を採用することができる。

出射面１６３は、第１光束制御部材１４１における表面側に形成される。すなわち、出射面１６３は、第２光束制御部材１４２と対向するように形成されている。出射面１６３は、屈折部１６１の表側に形成される円形出射面１６３ａと、傾斜フレネルレンズ部１６２ｄの表側に形成される傾斜出射面１６３ｂと、傾斜出射面１６３ｂの外側に形成される環状出射面１６３ｃとを含む。円形出射面１６３ａは、平面視形状が円形であり、中心軸ＣＡ１方向における下側段部１５１までの距離が一定な面に形成されている。傾斜出射面１６３ｂは、平面視形状が円形出射面１６３ａを囲む環状であり、中心軸ＣＡ１方向における下側段部１５１までの距離が、中心軸ＣＡ１から離れるにつれて漸減する斜面に形成されている。環状出射面１６３ｃは、平面視形状が傾斜出射面１６３ｂを囲む環状であり、中心軸ＣＡ１方向における下側段部１５１までの距離が一定な面に形成されている。

第１光束制御部材１４１は、例えば射出成形により形成される。第１光束制御部材１４１の材料は、所望の波長の光を通過させ得る透過性の高いものであれば特に限定されない。たとえば、第１光束制御部材１４１の材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂、またはガラスである。

屈折部１６１および第１傾斜面１６２ｂは、発光素子１３０から出射された光の一部を第１光束制御部材１４１の内部に入射させる。屈折部１６１は、発光素子１３０から出射された光の一部を入射して出射面１６３に向けて屈折させる。このように屈折部１６１は、第１光束制御部材１４１に入射する光の入射面として機能する。

第１傾斜面１６２ｂは、発光素子１３０から出射された光を入射する。このように第１傾斜面１６２ｂは、第１光束制御部材１４１に入射する光の入射面として機能する。第２傾斜面１６２ｃは、第１傾斜面１６２ｂに入射した光の一部を第２光束制御部材１４２に向けて全反射する。このように第２傾斜面１６２ｃは、第１傾斜面１６２ｂから入射した光の一部を全反射する全反射面として機能する。すなわち、フレネルレンズ部１６２は反射型のフレネルレンズとして機能する。

出射面１６３は、屈折部１６１および第１傾斜面１６２ｂから入射した光の一部および第２傾斜面１６２ｃで全反射された光を第２光束制御部材１４２に向けて出射する。

（３−２）第２光束制御部材
図７Ａ〜Ｄは、第２光束制御部材１４２の構成を示す図である。図７Ａは、第２光束制御部材１４２の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図であり、図７Ｃは、第２光束制御部材１４２の底面図であり、図７Ｄは、第２光束制御部材１４２の側面図である。

図７Ａに示されるように、第２光束制御部材１４２は、平面視形状が略円形に形成された部材である。第２光束制御部材１４２は、ホルダー１５０により支持されており、その中心軸ＣＡ２が発光素子１３０の光軸ＬＡと一致するように、第１光束制御部材１４１に対して空気層を介して配置される（図５参照）。第２光束制御部材１４２は、第１光束制御部材１４１と対向し、かつ第１光束制御部材１４１から出射された光の一部を反射させる反射面１４５を有する。

反射面１４５は、第２光束制御部材１４２の中心軸ＣＡ２を中心とする回転対称（円対称）面である。このように、反射面１４５の回転軸は、中心軸ＣＡ２と合致している。また、図５に示されるように、この回転対称面の中心から外周部にかけての母線は、発光素子１３０および第１光束制御部材１４１に対して凹の曲線であり、反射面１４５は、この母線を３６０°回転させた状態の曲面である。すなわち、反射面１４５は、中心から外周部に向かうにつれて発光素子１３０からの高さが高くなる非球面形状の曲面を有する。また、反射面１４５の外周部は、反射面１４５の中心と比較して、発光素子１３０の光軸ＬＡ方向における発光素子１３０からの距離（高さ）が離れた位置に形成されている。たとえば、反射面１４５は、中心から外周部に向かうにつれて発光素子１３０からの高さが高くなる非球面形状の曲面であるか、または、中心部から所定の地点までは中心部から外周部に向かうにつれて発光素子１３０（基板１２０）からの高さが高くなり、前記所定の地点から外周部までは中心部から外周部に向かうにつれて発光素子１３０からの高さが低くなる非球面形状の曲面である。前者の場合、基板１２０の面方向に対する反射面１４５の傾斜角度は、中心から外周部に向かうにつれて小さくなる。一方、後者の場合、反射面１４５には、中心と外周部との間であって、かつ外周部に近い位置に、基板１２０の面方向に対する傾斜角度が零（基板１２０と平行）となる点が存在する。なお、前述の通り、「母線」とは、一般的に線織面を描く直線を意味するが、本発明では回転対称面である反射面１４５を描くための曲線を含む語として用いる。

第２光束制御部材１４２は、第１光束制御部材１４１から出射され第２光束制御部材１４２に到達した光のうち、一部の光の進行方向を制御して反射させ、残部を透過させる。反射面１４５は、第１光束制御部材１４１からの出射光の一部をホルダー１５０に向けて反射させる。反射した光は、ホルダー１５０を透過してカバー１６０の中部（側部）および下部に到達する。

第２光束制御部材１４２に前述した部分反射、部分透過の機能を付与する手段は、特に限定されない。たとえば、光透過性の材料からなる第２光束制御部材１４２の表面（発光素子１３０および第１光束制御部材１４１に対向する面）に透過反射膜を形成すればよい。光透過性の材料の例には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの透明樹脂材料や、ガラスなどが含まれる。透過反射膜の例には、ＴｉＯ_２およびＳｉＯ_２の多層膜、ＺｎＯ_２およびＳｉＯ_２の多層膜、Ｔａ_２Ｏ_５およびＳｉＯ_２の多層膜などの誘電体多層膜や、アルミニウム（Ａｌ）などからなる金属薄膜などが含まれる。また、光透過性の材料からなる第２光束制御部材１４２の内部にビーズなどの光散乱子を分散させてもよい。すなわち、第２光束制御部材１４２は、一部の光を反射させ、一部の光を透過させる材料により形成されていてもよい。また、光反射性の材料からなる第２光束制御部材１４２に光透過部を形成してもよい。光反射性の材料の例には、白色樹脂や金属などが含まれる。光透過部の例には、貫通孔や有底の凹部などが含まれる。後者の場合、発光素子１３０および第１光束制御部材１４１からの出射光は、凹部の底部（厚みが薄くなっている部分）を透過する。たとえば、可視光の透過率が２０％程度であり、反射率が７８％程度である白色のポリメタクリル酸メチルを用いて、光反射性および光透過性の機能を併せ持つ第２光束制御部材１４２を形成することができる。第２光束制御部材１４２の第１光束制御部材１４１と対向する面（反射面１４５）は、入射光の正反射方向の反射強度が他の方向の反射強度よりも大きくなるように形成されていることが好ましい。したがって、第２光束制御部材１４２の第１光束制御部材１４１と対向する面は、光沢面となるように形成されている。

（３−３）ホルダー
ホルダー１５０は、基板１２０に位置決めされるとともに、発光素子１３０に対して第１光束制御部材１４１および第２光束制御部材１４２を位置決めする。

ホルダー１５０は、略円筒形状に形成された光透過性を有する部材である。本明細書において「略円筒形状」には、円筒形状と同等の配光特性となるような断面多角形の筒形状も含まれる。ホルダー１５０の一方の端部には、第２光束制御部材１４２が固定される。ホルダー１５０の他方の端部は、基板１２０に固定される。以下の説明では、ホルダー１５０の２つの端部のうち、第２光束制御部材１４２が固定される端部を「上端部」と呼び、基板１２０に固定される端部を「下端部」と呼ぶ。

ホルダー１５０は、第１光束制御部材１４１と共に一体成形により形成されている。ホルダー１５０の材料は、所望の波長の光を通過させ得るものであれば特に限定されない。たとえば、ホルダー１５０の材料は、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）などの光透過性樹脂、またはガラスである。ホルダー１５０に光拡散能を付与する場合には、これらの光透過性の材料に散乱子を含ませてもよいし、ホルダー１５０の表面に光拡散処理を施してもよい。

図５および図６Ｂに示されるように、ホルダー１５０の下端部には、光束制御部材１４０の装着時に筐体１１０の一端面の周縁部に当接し、ホルダー１５０を基板１２０に対して位置決めする下側段部１５１が形成されている。なお、ホルダー１５０を基板１２０に対して位置決めする手段は、下側段部１５１に限定されない。たとえば、ホルダー１５０の下端部には、下側段部１５１の代わりに、ホルダー１５０を基板１２０や筐体１１０などに位置決めするための、ボス（凸部）および係止爪が設けられていてもよい。ボスは、基板１２０に当接して、第２光束制御部材１４２の高さを調整する。係止爪は、筐体１１０または基板１２０の一端面に形成された係止用の孔に係止して、ホルダー１５０が外れることおよび回転することを防止する。

さらに、ホルダー１５０は、このほかにも、ホルダー１５０に対して第２光束制御部材１４２を位置決めする手段をさらに有していてもよい。このような位置決め手段は、特に限定されない。たとえば、ホルダー１５０の上端部には、ホルダー１５０の上端面の内縁が切り欠かれて形成された上側段部、または第２光束制御部材１４２を固定するためのガイド突起および爪部、が設けられていてもよい。ガイド突起は、上端部の端面の外周部の一部に形成されており、第２光束制御部材１４２がホルダー１５０の径方向に移動することを防止する。爪部は、上端部の端面に形成されており、第２光束制御部材１４２の外周部に形成された凹部に嵌合して、第２光束制御部材１４２が外れることおよび回転することを防止する。

光束制御部材１４０の製造方法は、特に限定されない。たとえば、光束制御部材１４０は、第１光束制御部材１４１とホルダー１５０との一体成形物に第２光束制御部材１４２を組み付けることによって製造されうる。第２光束制御部材１４２を組み付ける際には、接着剤などを使用してもよい。第１光束制御部材１４１とホルダー１５０の一体成形物は、例えば無色透明の樹脂材料を用いて射出成形により作製されうる。第２光束制御部材１４２は、例えば、無色透明の樹脂材料を用いて射出成形した後に、反射面１４５となる面に透過反射膜を蒸着することによって、または、第２光束制御部材１４２は、白色の樹脂材料を用いて射出成形することによって、作製されうる。

なお、第１光束制御部材１４１とホルダー１５０とを別々に成形してもよい。この場合は、第１光束制御部材１４１をホルダー１５０に組み付け、また第２光束制御部材１４２をホルダー１５０に組み付けることで、光束制御部材１４０を製造することができる。第１光束制御部材１４１とホルダー１５０とを別々に成形することにより、ホルダー１５０および第１光束制御部材１４１を形成する材料の選択の自由度が向上する。たとえば、散乱子を含む光透過性の材料でホルダー１５０を形成し、散乱子を含まない光透過性の材料で第１光束制御部材１４１を形成することが容易となる。

（４）カバー
カバー１６０は、発光装置からの出射光（光束制御部材１４０からの出射光）を拡散させつつ透過させる。カバー１６０は、開口部を有する中空領域が形成された部材である。基板１２０、発光素子１３０および光束制御部材１４０は、カバー１６０の中空領域内に配置される。カバー１６０に光拡散能を付与する手段は、特に限定されない。たとえば、カバー１６０の内面または外面に光拡散処理（例えば、粗面化処理）を行ってもよいし、光拡散性の材料（例えば、ビーズなどの散乱子を含む光透過性の材料）を用いてカバー１６０を作製してもよい。カバー１６０の形状は、例えば球冠形状（球面の一部を平面で切り取った形状）でありうるが、特に限定されない。

［発光装置の配光特性］
次に、光束制御部材１４０における、発光素子１３０から出射された光の光路について説明する。まず、当該光路の概略を説明する。

発光素子１３０からの出射光のうち、屈折部１６１に到達する光は、屈折部１６１から第１光束制御部材１４１に入射し、出射面１６３から出射して第２光束制御部材１４２に到達する。

発光装置１３０からの出射光のうち、フレネルレンズ部１６２に到達する光は、第１傾斜面１６２ｂから第１光束制御部材１４１に入射し、第２傾斜面１６２ｃで第２光束制御部材１４２に向けて反射する。そして、出射面１６３から出射して第２光束制御部材１４２に到達する。

第２光束制御部材１４２に到達した光の一部は、第２光束制御部材１４２を透過してカバー１６０の上部に到達する。また、第２光束制御部材１４２に到達した光の残部は、第２光束制御部材１４２の反射面１４５で反射して、ホルダー１５０を介してカバー１６０の中部（側部）および下部に到達する。このとき、第２光束制御部材１４２の中心部において反射した光は、カバー１６０の中部に向かう。一方、第２光束制御部材１４２の外周部において反射した光は、カバー１６０の下部に向かう。

一方、発光装置１３０から出射してホルダー１５０に到達した光は、ホルダー１５０を透過してホルダー１５０の外周面から出射し、カバー１６０の中部に到達する。こうして、発光素子１３０からの出射光は、光束制御部材１４０によって前方方向、側方方向および後方方向に配光される。

基板１２０上に複数の発光素子１３０が配置されている場合では、これらの発光素子１３０のうちの最も外側に配置された発光素子１３０の光は、他の発光素子１３０からの出射光に比べて、第１光束制御部材に入射しにくい。そこで、最も外側に配置された発光素子１３０からの出射光の光路を説明する。

まず、フレネルレンズ部の作用を説明するために、略平板状の第１光束制御部材を用いたときの光の光路を説明する。図８Ａは、略平板状の第１光束制御部材を有する光束制御部材６４０を用いたときの、最も外側に配置された発光素子１３０からの出射光の光路を示す図であり、図８Ｂは、図８Ａ中の円Ｂで囲まれた部分を拡大して示す図である。図９Ａは、光束制御部材６４０を有する発光装置の部分断面図であり、図９Ｂは、図９Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。発光装置の全方位の光度は、シミュレーションによって求められている。「光度」は、発熱素子１３０から距離１０００ｍｍの照度にほぼ等しい。

光束制御部材６４０は、略平板状の第１光束制御部材６４１を有する以外は、光束制御部材１４０と同じ構成を有する。第１光束制御部材と第２光束制御部材との光軸ＬＡにおける距離をＤｃとすると、光束制御部材６４０のＤｃは光束制御部材１４０のＤｃと同じである（図８Ａおよび図１０Ａ）。第１光束制御部材６４１において、第１光束制御部材６４１における谷の底はほぼ一平面上にあり、出射面６６３は平面に形成されている。よって、谷の底と出射面６６３との光軸ＬＡ方向における距離はほぼ一定である。

図８Ｂに示されるように、最も外側の発光素子１３０の光軸を特にＬＡ’とすると、発光素子１３０の出射光のうち、光束制御部材６４０では、光軸ＬＡ’に対して０〜θ_０°の角度を有する光が、第１傾斜面１６２ｂから第１光束制御部材６４１に直接入射する。発光素子１３０の光軸ＬＡ’に対してθ_０°よりも大きな角度を有する光は、ホルダー１５０を透過して光束制御部材１４０の外部に出射する。

光束制御部材６４０は、図９Ｂに示されるように、発光素子１３０からの出射光を、光束制御部材６４０によって、主に斜め前方方向（±６０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。しかしながら、側方方向（±９０°）に配光する光の割合は少ない。

次に、第１光束制御部材１４１を用いたときの光の光路を説明する。図１０Ａは、光束制御部材１４０を用いたときの、最も外側に配置された発光素子１３０からの出射光の光路を示す図であり、図１０Ｂは、図１０Ａ中の円Ｂで囲まれた部分を拡大して示す図である。図１１Ａは、光束制御部材１４０を有する発光装置の部分断面図であり、図１１Ｂは、図１１Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。

図１０Ｂに示されるように、発光素子１３０の出射光のうち、光軸ＬＡ’に対して、０〜θ_１°の角度を有する光が、第１傾斜面１６２ｂから第１光束制御部材１４１に直接入射する。第１光束制御部材１４１は傾斜フレネルレンズ部１６２ｄを含むことから、図１０Ａに示されるように、最も外側に位置する円環状の突起１６２の頂点から基板１２０までの距離は、図８および９に示される発光装置のそれに比べて小さい。よって、θ_１はθ_０に比べて大きい。すなわち、図１０および１１に示される発光装置では、実質的には、光軸ＬＡ’に対して０〜θ_０°の角度よりも大きな０〜θ_１°の角度の光の配光が、第１光束制御部材１４１および第２光束制御部材１４２の両方によって制御される。

光束制御部材１４０は、図１１Ｂに示されるように、発光素子１３０からの出射光を、主に斜め前方方向（±１５°および±６０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。また、光束制御部材６４０に比べて、前方方向（０°）および側方方向（±９０°）に配光する光の割合が多い。このように、光束制御部材１４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向、側方方向および後方方向にバランスよく配光している。

［効果］
第１光束制御部材１４１は、中央部に形成されている屈折部１６１からフレネルレンズ部１６２の周縁部に向けて発光素子１３０側（下方）に傾斜する形状に形成されている。このため、第１光束制御部材１４１に入射せず、光束制御部材１４０から漏れる光の光量を低減することができる。よって、光束制御部材１４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向、側方方向および後方方向の各方向へバランスよく配光させることができる。したがって、発光素子１３０と光束制御部材１４０とによって構成される発光装置は、バランスのよい配光特性を実現することができる。さらに、光束制御部材１４０からの出射光をカバー１６０に通すことによって、カバー１６０から前方方向、側方方向および後方方向の各方向への出射光の光量がより均等になる。このため、照明装置１００は、白熱電球に近い配光特性を実現することができる。照明装置１００は、白熱電球に代えて室内照明などに使用されうる。また、照明装置１００は、白熱電球よりも消費電力を少なくすることができるとともに、白熱電球よりも長期間使用することができる。

また、第１光束制御部材１４１はフレネルレンズ構造を有するので、第１光束制御部材１４１の厚みが小さくなる。よって、光束制御部材１４０をより小さくすることができる。

［変形例］
光束制御部材１４０では、出射面１６３は、傾斜フレネルレンズ部１６２ｄに対応して傾斜出射面１６３ｂを有している。本発明では、図１２に示されるように、出射面は平面であってもよい。図１２Ａは、光束制御部材２４０を有する発光装置の部分断面図であり、図１２Ｂは、上記発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。光束制御部材２４０は、出射面２６３が平らに形成されている以外は、光束制御部材１４０と同じ構成を有する。

光束制御部材２４０は、図１２Ｂに示されるように、発光素子１３０からの出射光を、主に斜め前方方向（±１５〜±３０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。また、光束制御部材６４０に比べて、斜め前方方向（±６０°）に配光する光の割合が少なく、前方方向（０°）に配光する光の割合が多い。このように、光束制御部材２４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向および後方方向にバランスよく配光している。

また、光束制御部材１４０では、ホルダー１５０の表面は滑らかである。本発明では、図１３に示されるように、ホルダー１５０の表面に、ホルダー１５０を透過する光の配光を制御する凹凸を有していてもよい。図１３Ａは、光束制御部材３４０を有する発光装置の部分断面図であり、図１３Ｂは、上記発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。図１４Ａは、ホルダー１５０の凹凸の図１３Ａ中の円Ａで囲まれた部分を拡大して示す図であり、図１４Ｂは、ホルダー１５０における他の形状の凹凸の図１３Ａ中の円Ａで囲まれた部分を拡大して示す図である。光束制御部材３４０は、ホルダー１５０の外周面における第１光束制御部材１４１と第２光束制御部材１４２との間の部分に複数の凹部３５１が形成されている以外は、光束制御部材１４０と同じ構成を有する。

複数の凹部３５１は、同一形状であり、かつ一定間隔で配置されている。凹部３５１の形状は、ホルダー１５０の中心軸（たとえば中心軸ＣＡ１またはＣＡ２）を回転軸とする回転対称である。ホルダー１５０の中心軸を通る断面における凹部３５１の断面形状は、直角三角形である。凹部３５１は、図１４Ａに示されるように、下に向かうにつれてホルダー１５０の外径が漸減する傾斜面３５１ａと、傾斜面３５１ａの第１光束制御部材１４１側の端から外側に広がる、ホルダー１５０の中心軸に直交する環状の平面３５１ｂとを有する。傾斜面３５１ａは、第２光束制御部材１４２で反射して第２光束制御部材１４２側（上側）からホルダー１５０に到達した光の進行方向を、発光素子１３０の光軸ＬＡに直交する方向（側方方向）に近づくように変える。

光束制御部材３４０は、図１３Ｂに示されるように、発光素子１３０からの出射光を、斜め前方方向（±１５°）、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。また、光束制御部材６４０に比べて、斜め前方方向（±６０°）に配光する光の割合が少なく、前方方向（０°）、斜め前方方向（±１５°）、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する光の割合が多い。このように、光束制御部材３４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向、側方方向および後方方向にバランスよく配光している。

なお、凹部は、図１４Ｂに示される凹部３５２であってもよい。凹部３５２は、上に向かうにつれて第２光束制御部材１４２の外径が漸減する傾斜面３５１ｃと、傾斜面３５１ｃの第１光束制御部材１４１側の端から外側に広がる、ホルダー１５０の中心軸に直交する平面３５１ｄと、を有する。この場合、凹部３５２は、第１光束制御部材１４１側（下側）からホルダー１５０に到達した光の進行方向を、発光素子１３０の光軸ＬＡに直交する方向（側方方向）に近づくように変える。さらに、凹部の形状は、傾斜面３５１ａや３５１ｃなどの、上方または下方からの光の進行方向を側方方向に近づくように変える面を有すれば、特に限定されない。このような面には母線が曲線の面も含まれる。

さらに、本発明では、発光素子１３０は１つであってもよい。図１５Ａは、光束制御部材６４０と１つの発光素子１３０とを有する発光装置の部分断面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。図１６Ａは、光束制御部材１４０と１つの発光素子１３０とを有する発光装置の部分断面図であり、図１６Ｂは、図１６Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。図１７Ａは、光束制御部材３４０と１つの発光素子１３０とを有する発光装置の部分断面図であり、図１７Ｂは、図１７Ａに示される発光装置の全方位の光度を相対強度で示すグラフである。

図１５Ｂに示されるように、光束制御部材６４０は、発光素子１３０が１つである場合でも、発光素子１３０からの出射光を、斜め前方方向（±６０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。

光束制御部材１４０は、図１６Ｂに示されるように、発光素子１３０が１つである場合でも、発光素子１３０からの出射光を、斜め前方方向（±６０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。また、光束制御部材６４０に比べて、前方方向（０°）、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する光の割合が多い。このように、光束制御部材１４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向、側方方向および後方方向にバランスよく配光している。

また、光束制御部材３４０は、図１７Ｂに示されるように、発光素子１３０が１つである場合でも、発光素子１３０からの出射光を、斜め前方方向（±３０°および±６０°）、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する。また、光束制御部材６４０に比べて、斜め前方方向（±６０°）に配光する光の割合が少なく、前方方向（０°）、斜め前方方向（０〜±３０°）、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）に配光する光の割合が多い。このように、光束制御部材３４０は、発光素子１３０からの出射光を、前方方向、側方方向および後方方向にバランスよく配光している。

なお、傾斜フレネルレンズ部１６２ｄの最も外側の円環状の突起１６２ａの先端は、基板１２０により近づいていてもよい。たとえば当該先端は、図１０Ｂにおけるθ_１が９０°になる位置まで、基板１２０に近づけることが可能である。この場合、第１光束制御部材１４１に入射する光の光量をより一層増やすことが可能であり、第１光束制御部材１４１および第２光束制御部材１４２による光の配光制御がより強まることが期待される。

本発明に係る発光装置の照度を測定した。光軸ＬＡと基板１２０の表面との交点を発光中心とし、この発光中心から１０００ｍｍの距離の照度を測定した。光束制御部材には、光束制御部材１４０および３４０を用いた。また、参考例として、光束制御部材６４０を有する発光装置を用いて、同様に照度を測定した。測定結果を図１８に示す。図１８Ａは、透過率が２１％の白色の第２光束制御部材１４２を装着した発光装置の全方位の照度を相対強度で示すグラフである。図１８Ｂは、透過率が１３％の白色の第２光束制御部材１４２を装着した発光装置の全方位の照度を相対強度で示すグラフである。図１８中、「太い破線」は光束制御部材１４０を装着した発光装置の照度を、「太い実線」は光束制御部材３４０を装着した発光装置の照度を、「細い実線」は光束制御部材６４０を装着した発光装置の照度を、それぞれ示す。

図１８Ａおよび図１８Ｂから明らかなように、発光装置の照度の配光特性を実測したところ、前述したシミュレーションによる光度と同じ傾向の配光特性を示す結果が得られた。また、第２光束制御部材の反射率が高い（透過率が低い）と、側方方向（±９０°）および斜め後方方向（±１２０〜±１５０°）の光の光量を増やすのに有効であることがわかる。

本発明に係る照明装置は、白熱電球に代えて使用されうるため、シャンデリアや間接照明装置などの各種照明機器に幅広く適用されうる。

１０，１００ 照明装置
１２ ＬＥＤ
１４ ケース
１６ アルミ板
１８ 透過窓
２０ カバー
１１０ 筐体
１１０ａ 傾斜面
１１０ｂ 口金
１２０ 基板
１３０ 発光素子
１４０，２４０，３４０，６４０ 光束制御部材
１４１，６４１ 第１光束制御部材
１４２ 第２光束制御部材
１４５ 反射面
１４８ フランジ部
１５０ ホルダー
１５１ 下側段部
１６０ カバー
１６１ 屈折部
１６２ フレネルレンズ部
１６２ａ 円環状の突起
１６２ｂ 第１傾斜面
１６２ｃ 第２傾斜面
１６２ｄ 傾斜フレネルレンズ部
１６３，２６３，６６３ 出射面
１６３ａ 円形出射面
１６３ｂ 傾斜出射面
１６３ｃ 環状出射面
３５１，３５２ 凹部
３５１ａ，３５１ｃ 傾斜面
３５１ｂ，３５１ｄ 平面
ＣＡ１，ＣＡ２ 中心軸
ＬＡ 光軸

Claims (4)

1. 発光素子から出射された光の配光を制御するための光束制御部材であって、
   前記発光素子に対向して配置される第１光束制御部材と、前記第１光束制御部材に対向して配置される第２光束制御部材と、を有し、
   前記第１光束制御部材は、前記発光素子の光軸が回転軸となる回転対称性を有する円環状の突起を複数有し、前記発光素子に対向するフレネルレンズ部と、前記第２光束制御部材に対向し、前記フレネルレンズ部で制御された光を前記第２光束制御部材に向けて出射する出射面と、を有し、
   前記円環状の突起は、前記発光素子から出射された光の一部を入射する内側の第１傾斜面と、前記第１傾斜面に入射した光の一部を前記第２光束制御部材に向けて反射する外側の第２傾斜面と、を有し、
   前記第２光束制御部材は、前記第１光束制御部材の出射面と対向し、前記第１光束制御部材から出射され前記第２光束制御部材に到達した光の一部を反射させ、残部を透過させる反射面を有し、
   前記反射面は、前記光軸を回転軸とする回転対称面であり、前記回転対称面の母線が前記第１光束制御部材に対して凹の曲線となるように形成され、
   前記反射面の外周部は、前記反射面の中心部と比較して、前記光軸の方向における前記発光素子からの距離が離れた位置に形成され、
   前記フレネルレンズ部は、隣り合う前記円環状の突起の間に形成される谷の底と前記発光素子が実装される実装面との前記光軸の方向における距離が、外側から前記光軸に近づくにつれて漸増する傾斜フレネルレンズ部を含む、
   光束制御部材。
2. 前記出射面は、前記出射面と前記実装面との前記光軸の方向における距離が前記光軸に近づくにつれて漸増する傾斜出射面を含む、請求項１に記載の光束制御部材。
3. 少なくとも１つの発光素子と、
   請求項１または２に記載の光束制御部材と、を有する、
   発光装置。
4. 請求項３に記載の発光装置と、
   前記発光装置からの出射光を拡散させつつ透過させるカバーと、
   を有する、照明装置。

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