JP6066564B2

JP6066564B2 - 照明装置

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Publication number: JP6066564B2
Application number: JP2012017081A
Authority: JP
Inventors: 正明古沢; エイチポールセンゲイリー; ジーン−バプティストベノイトジレス
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: TW201346183A; JP2013157206A; CN103225752A; CN103225752B

Description

本発明の一形態は、照明装置に関する。

従来から、室内等を照らすために様々な種類の照明装置が用いられている。その中には、装置の側方から進んできた光を装置の出力面（前面、あるいは空間側ともいえる）に向けて反射又は屈折させる照明装置もある。このような装置に似ているものとして、下記特許文献１には、中空の光リサイクリングキャビティ内に配置された少なくとも一つの半鏡面要素と、中空の光リサイクリングキャビティ内に光を放射するために配置された１以上の光源を備えるバックライトが記載されている。このバックライトにおける１以上の光源は、中空の光リサイクリングキャビティ内に限定された角度範囲にわたって光を放射するように構成されている。

特表２０１１−５１３８９７号公報

側方から進んできた光を単に出力面に向けるだけでは、その出力面に光の斑が発生してしまう。その一方で、明るさの均一性を高めるために拡散材や導光板方式を用いると、出光効率が低下してしまう。そこで、出光効率を低下させることなく、出力面における明るさの均一性を高めることが要請されている。

本発明の一形態に係る照明装置は、出力面を有する中空の光リサイクリング空洞を形成する前面及び背面を有する筐体と、光リサイクリング空洞を形成する第１の側面に設けられた光源とを備え、前面から背面までの距離が、第１の側面から該第１の側面と対向する第２の側面にかけて単調に減少するように、該背面が傾斜している。

このような形態によれば、前面と背面との距離が光源から離れるにつれて次第に狭まるように該背面が傾斜しているので、側面に設けられた光源から発せられた光がその背面の任意の位置で出力面に向けて反射する。したがって、出力面の任意の二点間における明るさの差が生じにくくなる。その結果、出光効率を低下させることなく、出力面における明るさの均一性を高めることができる。

別の形態に係る照明装置では、背面の傾斜が２次以上の多項式曲線により定義されてもよい。

さらに別の形態に係る照明装置では、背面が、前面に向かって凸である部分と、該前面から離れる方向に向かって凸である部分とを含んでもよい。

さらに別の形態に係る照明装置では、光源の光軸と背面とが交差してもよい。

さらに別の形態に係る照明装置では、光源の光軸と背面との交点から第１の側面までの第１の距離が、該交点から第２の側面までの第２の距離以下であり、該第１及び第２の距離がそれぞれ、該光軸に沿った長さであってもよい。

さらに別の形態に係る照明装置では、第１の側面における背面から光源までの距離が、背面の高低差の半分以下であってもよい。

さらに別の形態に係る照明装置では、第２の側面の高さが、第１の側面の高さの３０％以上であってもよい。

本発明の一側面によれば、出光効率を低下させることなく、出力面における明るさの均一性を高めることができる。

実施形態に係る照明装置の斜視図である。図１に示す照明装置の内部を示す斜視図である。実施形態に係る背面の一態様を示すグラフである。実施形態に係る背面の別の態様を示すグラフである。実施例における照度の測定点を示す図である。実施例及び各比較例に係る各照明装置の照度を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、図１〜４を用いて、実施形態に係る照明装置１０の構成を説明する。図１に示すように、照明装置１０の筐体（外観）１１は平たい略直方体であり、広い面が光の出力面１２になっている。なお、筐体の形状及び寸法は任意に決めてよく、例えば出力面は正方形でも長方形でもよいし、矩形以外の形でもよい。本明細書では、その出力面１２が筐体１１の前面に相当し、その前面と向かい合う面を筐体１１の背面１３という。出力面は筐体の前面と同視できるので、以下では両者を同じ符号で示す。

図２に示すように、筐体１１の内部は中空の光リサイクリング空洞１４となっている。この空洞１４は、筐体１１の前面（出力面）１２、背面１３及び四つの側面により形成されている。前面１２及び背面１３のどちらか一方又は双方の表面は平らであってもよいし、その表面に任意の形状の細かな凹凸が形成されていてもよい。

背面１３及び各側面の内側（すなわち内壁）には、光をほぼ全反射する反射材がラミネート加工などにより貼られている。反射材の例として、銀反射板、スリーエム社製のＥＳＲあるいはＤＦ２０００ＭＡ等が挙げられるが、反射材はこれらに限定されるものではない。

出力面１２は、例えば、半鏡面性を有するフィルム、あるいはその半鏡面性フィルムを含む多層光学フィルムにより形成される。ここで、半鏡面性を有するフィルムとは、吸収などによる光の損失をほとんど生ずることなく、入射光の一部を反射し残りの光を透過するという特性を持つフィルムのことである。したがって、半鏡面性フィルムでは、「（反射光）＋（透過光）≒（入射光）」という関係が成り立つ。

半鏡面性フィルムは、例えば、所望の屈折率関係及び所望の反射率特性を生成するように適切な条件下で配向された、共押出ポリマーミクロ層（多層構造）を有する。半鏡面性フィルムの作製においては、所望の半球反射率が得られるように、ミクロ層の数や層厚さ特性、屈折率等が適切に選択される。この点から、半鏡面性フィルムは、半球反射率及び半球透過率が制御されたフィルムであるともいえる。ただし、半球反射率と半球透過率との和は、ほぼ１である。ここで、半球反射率とは、フィルム表面への全方向からの入射光の全光束に対する、反射光の全光束の割合である。また、半球透過率とは、フィルム表面への全方向からの入射光の全光束に対する、透過光の全光束の割合である。半鏡面性フィルムは、偏光フィルムであってもよいし、偏光フィルムでなくてもよい。また、半鏡面性フィルムは非対称反射特性を有していてもよいし、対称性を有する多層構造を有していてもよい。

このような半鏡面性フィルムの構造や特性については、特表２０１０−５２８４３０号公報にも記載されている。

多層光学フィルムは、半鏡面性フィルムの片面にビーズコーティングが施されたものであってもよい。ビーズコーティングは、例えば、公知の透明樹脂製の微細なビーズ（例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）ビーズ）、またはガラスビーズ等の微粒子を多数含むポリマー結合剤により形成される。あるいは、多層光学フィルムは、半鏡面性フィルムの片面にビーズコーティングが施され、他方の面に透明樹脂製の拡散シートが貼り付けられたものであってもよい。拡散シートに用いる透明樹脂としては、例えばポリカーボネートが挙げられるが、拡散シートの材料はこれに限定されない。

なお、出力面１２は、上記の半鏡面性フィルムや多層光学フィルム以外の部材により形成されてもよいし、それらのフィルムと他の部材との組合せにより形成されてもよい。

筐体１１の一側面（第１の側面）１６には、その空洞１４内に向けて光を発する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１５が横方向に（言い換えれば、前面１２と第１の側面１６との境界に沿って）一列に並んで取り付けられている。したがって、この照明装置１０はシングル・サイドのエッジライト型である。各ＬＥＤ１５は、その光軸が前面１２と略並行になるように第１の側面１６に取り付けられる。なお、取り付けるＬＥＤ１５の個数は限定されない。また、ＬＥＤの列は第１の側面１６に二つ以上設けられていてもよい。

筐体１１の前面１２は図１に示すように平坦であるのに対して、その背面１３は図２に示すように傾斜している。具体的には、前面１２から背面１３までの距離が、第１の側面１６から該第１の側面１６と対向する第２の側面１７にかけて単調に減少するように、背面１３が傾斜している。これは、ＬＥＤ１５が取り付けられている第１の側面１６から第２の側面１７に向かうにつれて、背面１３が前面１２に少しずつ接近することを意味する。背面１３から前面１２に向かう方向を筐体１１の高さ方向とすると、その背面１３の傾斜により、光リサイクリング空洞１４の高さがＬＥＤ１５から離れるにつれて次第に低くなる。

この傾斜の一態様について図３を用いて詳細に説明する。図３は、ＬＥＤ１５の光軸に沿った光リサイクリング空洞１４の幅方向をＸ軸とし、その空洞１４の高さ方向をＹ軸として、背面１３の傾斜を示したグラフである。このグラフは、光リサイクリング空洞１４の幅及び奥行きがそれぞれ６００（ｍｍ）であり、その高さが１００（ｍｍ）である照明装置１０に関する。このグラフにおけるｘ＝０の位置は第１の側面１６に相当し、ｘ＝６００の位置は第２の側面１７に相当する。ｙ＝１００の位置は前面（出力面）１２に相当する。第１の側面１６の高さは１００ｍｍであり、第２の側面１７の高さは５０ｍｍである。したがって、背面１３の高低差は５０ｍｍである。

このグラフは、ＬＥＤ１５の位置を背面１３から５ｍｍ離した箇所に設けた場合に出力面１２での光の均一性が良好であると認められた背面１３の傾斜の一例を示している。このグラフに示すように、背面１３を示すカーブは単調増加関数ｙ＝ｆ（ｘ）で示される。ここで、この単調増加関数ｆ（ｘ）は、ｘ軸に沿った任意の２地点ｘ_１，ｘ_２について、ｘ_１＜ｘ_２ならばｆ（ｘ_１）＜ｆ（ｘ_２）を満たす関数であり、したがって、ｆ（ｘ）は狭義の単調増加関数である。すなわち、背面１３は第１の側面１６から第２の側面１７に向かうにつれて前面１２に接近し続けている。これは、ＬＥＤ１５の光軸に沿った方向において、背面１３には前面１２と平行になる部分が無いともいえる。

図３に示すカーブを多項式曲線で示すとすると、関数ｆ（ｘ）は以下のように様々な多項式で表される。なお、例えば「Ｅ−０７」は１０^−７を示し、「Ｅ−０５」は１０^−５を示す。

カーブを２次関数で示す場合には、関数ｆ（ｘ）は下記の式で表される。この場合の相関係数の２乗値（Ｒ−２乗値）は０．９９４９であった。
ｆ（ｘ）＝０．０００１ｘ^２＋０．００６１ｘ

カーブを３次関数で示す場合には、関数ｆ（ｘ）は下記の式で表される。この場合のＲ−２乗値は０．９９９３であった。
ｆ（ｘ）＝−２Ｅ−０７ｘ^３＋０．０００３ｘ^２＋０．０２１７ｘ

カーブを４次関数で示す場合には、関数ｆ（ｘ）は下記の式で表される。この場合のＲ−２乗値は１であった。
ｆ（ｘ）＝−５Ｅ−１０ｘ^４＋４Ｅ−０７ｘ^３＋９Ｅ−０５ｘ^２−０．００１４ｘ

カーブを５次関数で示す場合には、関数ｆ（ｘ）は下記の式で表される。この場合のＲ−２乗値は１であった。
ｆ（ｘ）＝８Ｅ−１３ｘ^５−２Ｅ−０９ｘ^４＋１Ｅ−０６ｘ^３
＋４Ｅ−０５ｘ^２−０．００７１ｘ

このように、いずれの場合もＲ−２乗値は０．９９以上であるので、背面１３の傾斜は２次以上の多項式曲線により良好に定義されるといえる。図３の例では、背面１３は、前面１２に向かって凸である部分（ｘが約３５０（ｍｍ）から６００（ｍｍ）までの範囲）と、前面１２から離れる方向に向かって凸である部分（ｘが０（ｍｍ）から約３５０（ｍｍ）までの範囲）とを含んでいる。したがって、３次以上の関数のＲ−２乗値の方が、２次関数のＲ−２乗値よりも高くなっている。

光リサイクリング空洞１４の高さ方向におけるＬＥＤ１５の設置位置に着目すると、ＬＥＤ１５は、その光軸が背面１３と交差するように第１の側面１６に設けられる。ただし、ＬＥＤ１５は指向性が高い光源なので、そのＬＥＤ１５から発せられた光が最初に背面１３で反射する範囲を広く確保した方がよい。そこで、例えば、交点から第１の側面１６までの第１の距離が交点から第２の側面１７までの第２の距離以下になるようにＬＥＤ１５を設けることが考えられる。ここで、第１及び第２の距離とはそれぞれ、ＬＥＤ１５の光軸に沿った距離である。第１の距離を第２の距離以下にするということは、ＬＥＤ１５を背面１３に近い位置に設けるということでもある。図３の例では、第１の距離は約２００ｍｍであり、第２の距離は約４００ｍｍである。

背面１３の傾斜の別の態様を図４に示す。図４のグラフは、ＬＥＤ１５の光軸に沿った光リサイクリング空洞１４の長さが１５０ｍｍであり、その高さが１８ｍｍである場合の照明装置１０に関する。このグラフにおけるｘ＝０の位置は第１の側面１６に相当し、ｘ＝１５０の位置は第２の側面１７に相当し、ｙ＝１８の位置は前面（出力面）１２に相当する。第１の側面１６の高さは１８ｍｍであり、第２の側面１７の高さは約５．６ｍｍである。したがって、背面１３の高低差は約１２．４ｍｍである。

このグラフは、ＬＥＤ１５の位置を背面１３から５ｍｍ離した箇所に設けた場合に出力面１２での光の均一性が良好であると認められた背面１３の傾斜の一例を示している。このグラフも、２次以上の（狭義の）単調増加関数ｙ＝ｆ（ｘ）で表される。図４の例でも、背面１３は、前面１２に向かって凸である部分（ｘが約８０（ｍｍ）から１５０（ｍｍ）までの範囲）と、前面１２から離れる方向に向かって凸である部分（ｘが０（ｍｍ）から約８０（ｍｍ）までの範囲）とを含んでいる。

図４の例においても、ＬＥＤ１５は、その光軸が背面１３と交差するように第１の側面１６に設けられる。より具体的には、ＬＥＤ１５から発せられた光が最初に背面１３で反射する範囲を広く確保するために、第１の側面１６における背面１３からＬＥＤ１５までの距離が、背面１３の高低差の半分以下になるようにＬＥＤ１５が設けられている。図４の例では、背面１３からＬＥＤ１５までの距離は５ｍｍであり、背面１３の高低差の半分未満である。

以上説明したように、本実施形態によれば、前面１２と背面１３との距離が光源（ＬＥＤ１５）から離れるにつれて次第に狭まるように該背面１３が傾斜しているので、その光源から発せられた光がその背面１３の任意の位置で出力面１２に向けて反射する。したがって、その光が光リサイクリング空洞１４内から抜けやすくなるとともに、出力面１２の任意の二点間における明るさの差が生じにくくなる。その結果、出光効率（より具体的には、出力効率や発光効率、器具効率など）を低下させることなく、出力面１２における明るさの均一性を高めることができる。

照明装置の出力面の明るさの均一性を高める他の手法として導光板の利用が考えられる。しかし、導光板を用いると照明装置がその分重くなってしまい、装置の取扱いに困難が生じる可能性がある。また、導光板を用いると出力面から出る光の放射角度が狭くなり、出光効率が下がってしまう。本実施形態では、背面１３の形状を工夫することで、導光板を用いることなく、明るさの均一性及び高い出光効率という効果を奏する。

以下、実施例に基づいて本発明の一形態に係る照明装置を具体的に説明するが、照明装置の構成は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

幅、奥行き、及び高さがそれぞれ６００ｍｍ、６００ｍｍ、１００ｍｍである筐体を用いて、実施例に係る照明装置を作製した。筐体の背面及び４側面は、内側にミラーフィルム（スリーエム社のＤＦ２０００ＭＡ）がラミネート加工された厚さ０．５ｍｍのアルミニウム・シートにより形成した。出力面（筐体の前面）には、半鏡面フィルムを含むスリーエム社製の多層光学フィルム（ＬＥＴＦ−Ｄ５００Ｐ）を用いた。一側面に、複数のＬＥＤ（Ｃｒｅｅ社製Ｘ−ＬａｍｐＭＬ−Ｅ４Ｅ５）が横方向に一列に並んで成る光源（米国スリーエム社製）を二つ取り付けた。したがって、この照明装置はシングル・サイド型である。各光源の設置位置はそれぞれ、背面から５ｍｍ、１５ｍｍとした。筐体の背面は図３のグラフに示すように傾斜させた。なお、筐体の各面は非常に薄いので、図３に示す光リサイクリング空洞の寸法は筐体の寸法と略同じであるということができる。

比較例として４種類の照明装置を作成した。比較例に係る各照明装置の構成装置は以下の通りである。

（比較例１）
照明装置の筐体の大きさは、実施例と同様の６００ｍｍ×６００ｍｍ×１００ｍｍとした。筐体内部に貼り付ける反射材、及び出力面として用いるフィルムも実施例と同様とした。実施例と異なる点は背面及び光源である。具体的には、背面を平面とし、その背面を前面と平行になるように設けた。したがって、比較例１では背面は傾斜しておらず、光リサイクリング空洞の高さは任意の地点で１００ｍｍである。複数のＬＥＤが横方向に一列に並んで成る光源は、互いに向かい合う２側面に二つずつ設けた。これは、上記実施形態における第１及び第２の側面の双方に光源を設けたことを意味し、したがって、この照明装置はダブル・サイド型である。第１及び第２の側面のそれぞれにおいて、二つ光源の設置位置は背面から５ｍｍ及び１５ｍｍとした。

（比較例２〜４）
比較例１に係る照明装置において筐体及び光リサイクリング空洞の高さを変えたものを比較例２〜４とした。具体的には、比較例２，３，４におけるその高さをそれぞれ、７５ｍｍ，６０ｍｍ，５０ｍｍとした。

（照度等の比較）
実施例及び比較例１〜４において作製された各照明装置について、出力面での照度を計測した。図５に示すように、計測点は出力面上の４隅（Ｌ−１，Ｌ−３，Ｒ−１，Ｒ−３）、４辺の各中点（Ｌ−２，Ｒ−２，Ｃ−１，Ｃ−３）、及び出力面の中央（Ｃ−２）の計９点とした。ここで、図５における符号ＳＬは実施例及び各比較例において設けられた光源を示し、符号ＳＲは各比較例においてのみ設けられた光源を示す。

実施例及び各比較例において、ＬＥＤを点灯させてから１０分後に、出力面上の上記９点での照度をデジタル照度計（マステック（Ｍａｓｔｅｃｈ）社のＬＸ１３３０Ｂ）により測定した。また、ＬＥＤの点灯から１０分後に、オプトロニックラボラトリー製の積分球システム（ＯＬ７７０)を用いて全光束を測定すると同時にワットメーター（エレクトロニックエデュケーショナルデバイス社製のＷａｔｔｓｕｐＰｒｏ）を用いて消費電力を測定し、発光効率を計算した。ここで、発光効率とは、器具から放出された全光束（ｌｍ）を器具の消費電力（ｗ）で除した値である。

実施例及び各比較例の測定結果（９点での照度、平均照度、比較例１と比較した出力効率、照度の標準偏差、照度の均一性、及び発光効率）を下記の表１に示す。また、表１に示す９点での照度をグラフ化したものを図６に示す。表１における、比較例１と比較した出力効率は、当該比較例１と比べて平均照度がどのくらい上昇したかを百分率で示した値である。照度の均一性については、標準偏差が７００未満であれば良好（Ｇｏｏｄ）と評価し、７００以上であれば不十分（ｐｏｏｒ）と評価した。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

上記実施形態では光源としてＬＥＤを用いたが、光源の種類は限定されない。例えば、指向性が高い他の種類の光源を用いてもよい。

上記の図３，４の例では、背面が、前面に向かって凸である部分と、前面から離れる方向に向かって凸である部分とを含んでいたが、背面の形状はこれに限定されない。背面は、第１の側面から第２の側面にかけて常に前面に向かって凸であってもよいし、常に前面から離れる方向に向かって凸であってもよい。

１０…照明装置、１１…筐体、１２…出力面（前面）、１３…背面、１４…光リサイクリング空洞、１５…ＬＥＤ（光源）、１６…第１の側面、１７…第２の側面。

Claims

出力面を有する中空の光リサイクリング空洞を形成する前面、背面、第１の側面、および第２の側面を有する筐体と、
前記第１の側面に設けられた複数の光源と
を備え、
前記第２の側面が、前記第１の側面と対向し、かつ前記前面から前記背面に向かう方向に沿って所定の長さを有し、
前記前面から前記背面までの距離が、前記第１の側面から前記第２の側面にかけて単調に減少するように、該背面が傾斜しており、
前記複数の光源の光軸のすべてと前記背面とが交差し、
前記複数の光源のそれぞれについて、前記光源の光軸と前記背面との交点から前記第１の側面までの第１の距離が、該交点から前記第２の側面までの第２の距離以下であり、該第１及び第２の距離がそれぞれ、該光軸に沿った長さである、
照明装置。