JP6190531B2 - 照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、透光性カバーにより囲まれた光室内に配置されたＬＥＤ光源を有する照明器具に関する。

白熱光源は、白熱して輝くまで自身を介して流される電流によって加熱されるフィラメント線を用いて光を発生する。フィラメントは、通常、加熱されたフィラメントを酸化及び損傷を与え得る他の作用から保護するために不活性ガスにより充填されるか又は真空引きされたガラス球若しくは石英球内に収容される。ハロゲン照明器具においては、当該フィラメント上に金属蒸気を再堆積させる化学作用を利用することによりフィラメントの蒸発が更に防止され、寿命が大幅に延長される。従って、ハロゲン照明器具は照明用途のために普通に使用されている。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、現在のところ、今日利用可能な最も効率的な光源の一つである。ＬＥＤ光源を有する照明器具は、白熱光源より少ないエネルギしか消費しない。また、ＬＥＤは従来の光源より長い寿命を有し、より少ない頻度でしか交換する必要がなく、光源を、置換を容易にするためにソケットを用いることなく当該照明器具内に組み込むことができるという利点を有している。

しかしながら、ハロゲン照明器具等の白熱光源の発光分布及び外観をまねたＬＥＤ照明器具を提供することは、幾つかの理由により困難である。

米国特許出願公開第2012/0262050号公報は、当該ＬＥＤ電灯の視覚的効果が改善されるように配置されたプリズムを有するハウジングを備えたＬＥＤ電灯を開示している。

しかしながら、クリアハロゲンカプセル電球等の白熱光源の視覚的外観及び発光を模したＬＥＤ照明器具の性能及び外観を更に改善する必要性が存在する。

本発明の目的は、上述した問題を解決又は少なくとも軽減することである。

特に、本発明の第１態様によれば、光室（light chamber）と、該光室を囲み、内側表面及び外側表面を有する透光性カバーと、前記光室内に配置されて、前記透光性カバーの内側表面を照明する１以上のＬＥＤ光源とを有する照明器具が提供される。

前記透光性カバーは第１屈折率を持つ物質を有する一方、前記光室は第２屈折率を持つ物質を有する。該透光性カバーは更に前記内側表面上にプリズム状光学構造を有し、該プリズム状光学構造は２ｘ[９０−arcsin(n2/n1)]以下の頂角（top angle）を有する。

前記透光性カバーの内側表面上に存在するプリズム状光学構造は、前記ＬＥＤ光源からの光を全方向的（無指向的）に反射及び／又は屈折するように配設される。該光学構造は、更に、当該照明器具の外部からのＬＥＤ光源の直視を妨げるように構成される。

利点は、伝統的なハロゲン型照明器具と比較して一層大きな光出力及び一層長い寿命等の改善された性能を備えるＬＥＤ照明器具が提供されるということである。ＬＥＤからの光は、該ＬＥＤ光源からの光を反射及び／又は屈折させる光学構造を備えた透光性カバーを使用することにより、当該ＬＥＤ照明器具からの光分布が改善されるように再分散される。従って、ハロゲン照明器具等の白熱光源を一層良好に模した照明器具が提供される。当該ＬＥＤ照明器具の製造は少ない部品により更に簡単化される。

透光性なる文言は、光の通過を可能にするものと理解されるべきである。従って、前記透光性カバーは澄んだ（言い換えると、光に対して透明な）部分、及び／又は該透光性カバー内の物体を該透光性カバーの外部からは明瞭に見ることができないように光を透過及び拡散させる部分を有することができる。

従って、透光性とは、“光の通過を可能にする”と理解されるべきであり、透光性物質（材料）は、クリア（透明）な、又は向こう側の物体が明瞭に見えないように光を透過及び拡散させるものであり得る。

透明とは、“透視可能である”と理解されたい。

前記プリズム状光学構造は、ハロゲン照明器具からの発光を模した光分布が得られるような、ＬＥＤ照明器具の透光性カバーを介して放出される光の効率的な再分散を可能にする。該ＬＥＤ照明器具は、当該ＬＥＤ照明器具を透光性カバーの外部から見た場合に、当該ＬＥＤの相対的に大きな発光領域が不連続な領域として見えることを可能にする。言い換えると、当該ＬＥＤ照明器具は白熱照明器具の視覚的外観を一層良好に模する。

上記光学構造は透光性カバーの内側表面に配設され、かくして、該光学構造が、摩耗及び／又は汚染が当該ＬＥＤ照明器具の性能に影響を与える確率を低減する透光性カバーにより保護されるようにする。これにより、耐久性が増加されたＬＥＤ照明器具が得られる。

前記ＬＥＤ光源は透光性カバーにより囲まれた光室内に配置される一方、該透光性カバーの内側表面上の光学構造は、当該ＬＥＤ照明器具の外側からの該ＬＥＤ光源の直視が該プリズム状光学構造における全内部反射により妨げられるように構成される。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具を見る人に対し不快さ又は障害を生じさせ得るグレア等の問題を低減する。この構成は、更に、白熱光源の従来のフィラメントと比較して、ＬＥＤの発光面積が相対的に大きいことに関連する問題も低減する。

全内部反射（ＴＩＲ）とは、光線が第１媒体と第２媒体との間の境界に、該境界の面の法線に対して臨界角より大きな角度で到達した場合に生じる光学的効果である。ＴＩＲが生じるためには、即ち、如何なる光も上記境界を越えて伝搬することがなく、全ての光が該境界において実質的に反射されるように上記光線が該境界において完全に反射されるためには、第１媒体の屈折率が第２媒体の屈折率より大きいことが必要とされる。

前記透光性カバーは円筒状とすることができる。この構成は該透光性カバーの容易な製造を可能にする。該透光性カバーの円筒状の形状は、更に、ハロゲン照明器具からの発光を模した光分布が得られるような、透光性カバーを介して放出される光の効率的な再分散をもたらす。円筒状の形状は、更に、当該円筒の放射方向に垂直な方向における光の強度を減少させることができる。このことは、ハロゲン照明器具等の白熱光源の発光パターンに似た光分布をもたらす。

前記ＬＥＤ光源は前記透光性カバー内に配置された少なくとも２つのＬＥＤを有することができる。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具の光出力が改善される故に有利である。

上記２つのＬＥＤは両面ＰＣＢ上に背中合わせに配置することができ、該ＰＣＢは熱伝導材料に熱的に接触するものとする。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具の効率的な製造を可能にする。更に、改善された温度管理及び発光の均一性が得られる。

代わりに又は加えて、光学構造は前記透光性カバーの外側表面上に配設することもできる。

利点は、伝統的なハロゲン型照明器具と比較して一層大きな光出力及び一層長い寿命等の改善された性能並びに改善された外観を備えたＬＥＤ照明器具が提供されることである。

当該ＬＥＤからの光は、ＬＥＤ光源からの光を反射及び／又は屈折させる透光性カバーを使用することにより、当該ＬＥＤ照明器具からの光の放出が改善されるように再分散される。

当該透光性カバーの外側表面上に配設される上記光学構造は、交互の透明部分及び散乱部分を有することができる。このような構成は、発光がフィラメント型白熱照明器具のものを模するような、当該ＬＥＤ照明器具内からの光の効率的な再分散を可能にする。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具を見る人に対し不快さ又は障害を生じさせ得るグレア等の問題も低減する。

本発明は請求項に記載されるフィーチャの全ての可能性のある組み合わせにも関するものであることに注意されたい。

本発明の上記及び他の態様は、本発明の実施態様を示す添付図面を参照して詳細に後述される。

各図に示されるように、層及び領域の寸法は解説目的で誇張されており、本発明の実施態様の一般的構造を図示するために示されている。同様の符号は全図を通して同様の要素を示している。

図１は、本発明の一実施態様によるＬＥＤ照明器具の概要図である。 図２は、本発明の一実施態様によるＬＥＤ照明器具の概要図である。 図３は、本発明の一実施態様によるＬＥＤ照明器具の概要図である。 図４は、従来技術のＬＥＤ照明器具の概要図である。 図５ａは、本発明の他の実施態様によるＬＥＤ照明器具の概略断面図である。 図５ｂは、本発明の他の実施態様によるＬＥＤ照明器具の概略斜視図である。

以下、本発明を、本発明の現在のところ好ましい実施態様が示された添付図面を参照して一層詳細に説明する。しかしながら、本発明は多数の異なる形態で実施化することができ、以下に記載される実施態様に限定されると見なされるべきではない。むしろ、これら実施態様は徹底さ及び完全さのために提示されたもので、当業者に対して本発明の範囲を十分に伝達するものである。

本発明の基本的思想は、ハロゲン照明器具等の白熱光源を模したＬＥＤ照明器具を提供するというものである。このことは、１以上のＬＥＤ光源並びに内側及び外側表面を備えた透光性カバーを有するＬＥＤ照明器具を提供することにより達成される。当該ＬＥＤ光源（又は複数のＬＥＤ光源）は、更に、上記透光性カバーの内側表面を照明するように配置され、該透光性カバーは該ＬＥＤ光源からの光を全方向（無指向）的に反射及び／又は屈折するように構成された光学構造を有する。当該ＬＥＤからの光は、該ＬＥＤ光源からの光を反射及び／又は屈折する透光性カバーを使用することにより、当該ＬＥＤ照明器具からの光の放出が改善されるように再分散される。斯かる新規な部品により、当該ＬＥＤ照明器具の製造は更に簡素化される。

図１及び図２は、本発明によるＬＥＤ照明器具１００の一実施態様を示している。図１には、明瞭化のため、透光性カバーは図示されていない。該ＬＥＤ照明器具１００は、両面印刷回路基板（ＰＣＢ）１０４上に背中合わせに配置された２つのＬＥＤ１０２を有している。ＬＥＤの該配置は、ＬＥＤ照明器具１００の効率的な製造を可能にする。ＬＥＤ１０２は、ここではＰＣＢ上に光が２つの反対方向に放出されるように配置され、ランバート放射パターンを示す。従って、一層大きな角度分布を持つ光の放出が達成される。

ＰＣＢ１０４は、更に、改善された温度管理が得られるように熱伝導材料１０６に熱的に接触されている。この実施態様によれば、上記熱伝導材料は当該ＬＥＤ照明器具１００の基体を形成している。該熱伝導材料１０６は簡略化のために円板として示されている。当業者であれば、該熱伝導材料１０６は、ＰＣＢ１０４の温度を低下させるのに適している限り、円柱等の任意の形状のものとすることができると理解すべきである。これにより、当該ＬＥＤ照明器具の組み立ては、ＰＣＢ１０４上に透光性カバー２０２を直接配置することができるので簡略化される。透光性カバー２０２は例えば射出成形により形成することができ、好ましくは当該ＬＥＤ照明器具１００の上記基体上への容易な固定を可能にするリムを有する。これにより、ＬＥＤ照明器具１００の内部は保護されるように密閉され得る。該ＬＥＤ照明器具は、配線が組み込まれ得る例えば照明器具チューブ上に容易に固定することができる。これにより、機械的に安定したＬＥＤ照明器具が提供される。

しかしながら、当該ＬＥＤ照明器具は１個のＬＥＤを有することもできることに注意されたい。他の実施態様によれば、当該ＬＥＤ照明器具は３個以上のＬＥＤを有する。

本発明の他の実施態様において、当該ＬＥＤ照明器具は、該ＬＥＤ照明器具からの発光の回転対称性が改善されるように、該ＬＥＤ照明器具内にＬＥＤの三角形（各々１２０度）、四角形（各々９０度）又は多重配置を有することもできる。このような配置において、当該ＬＥＤ照明器具からの光の放出は、角度分布的に一層均一になり得、及び／又は一層大きな全光強度を提供することができる。

当該ＰＣＢは、他の実施態様では、片面ＰＣＢとすることもできる。

図２は、透光性カバー２０２が存在する実施態様を示す。この場合、ＬＥＤ照明器具１００は２つの光源１０２と、内側表面２０８及び外側表面２０６を備える透光性カバー２０２とを有し、光源１０２は透光性カバー２０２の内側表面２０８を照明するように配置されている。透光性カバー２０２は、プリズム状の光学構造２０４を有している。該光学構造２０４は、光源１０２からの光を反射及び／又は屈折するように構成される。これにより、光は当該ＬＥＤ照明器具からの光の放出が改善されるように再分散される。これにより、全方向的ＬＥＤ照明器具が得られる。

光学構造２０４は、透光性カバー２０２の内側表面２０８上に配置され、該透光性カバー２０２の長軸に沿って延在する。当該光学構造への光の導入が増加されることが利点である。更に、該光学構造２０４は透光性カバー２０２により保護されており、このことは、摩耗及び／又は汚染が当該ＬＥＤ照明器具１００（２００）の性能に影響を与える確率を低減させる。これにより、耐久性が増加されたＬＥＤ照明器具２００が得られる。

透光性カバー２０２は、この実施態様では、円筒状である。この構成は、該透光性カバー２０２の容易な製造を可能にする。透光性カバー２０２の該円筒状の形状は、更に、該透光性カバー２０２を介して放出される光の効率的な再分散をもたらし、かくして、ハロゲン照明器具からの発光を模した光の分布が得られる（即ち、光は当該円筒の放射方向に一層均一に放出され得る）。この円筒状の形状は、更に、該円筒の放射方向に対して垂直な方向における光の強度を低減させることができる。このことは、ハロゲン照明器具等の白熱光源の発光パターンに似た光分布をもたらす。

当該透光性カバーは、他の実施態様では、該透光性カバーの一部を覆う光学構造を有し得る。これにより、当該ＬＥＤ照明器具の発光プロファイルを、当該光学構造が覆う上記部分の寸法を調整することにより、該ＬＥＤ照明器具の設計の間に入念に調整することができる。該光学構造は、更に、当該透光性カバーの上部を覆うこともできる。

当該ＬＥＤ照明器具の発光プロファイルは、更に、上記透光性カバーの形状を調整することにより調整することができる。該透光性カバーは、例えば、円板形状を有することもできる。

当該透光性カバーは、他の実施態様では、ドーム形状を有することができる。前記光学構造は、当該ドーム状透光性カバーの長軸に沿って該透光性カバーの上部まで延在することができる。この実施態様の利点は、当該光学構造への光の導入を増加させることができることである。２つのＬＥＤ光源１０２は、この実施態様においては、透光性カバー２０２内に配置される一方、光学構造２０４は該ＬＥＤ光源１０２の当該ＬＥＤ照明器具の外部からの直視が妨げられるように構成される。このことは、当該ＬＥＤ照明器具２００を見る者に対して不快さ又は障害を生じさせ得るグレア等の問題を低減する。

図３は、本発明によるＬＥＤ照明器具の一実施態様３００を示している。透光性カバー３０２は、プリズム状である光学構造３０４を有している。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具の透光性カバーを介して放出される光の効率的な再分散を可能にし、かくして、ハロゲン照明器具からの発光に似た光分布が得られるようにする。この構成は、当該ＬＥＤ照明器具を透光性カバーの外部から見た場合に、当該ＬＥＤの相対的に大きな発光領域が不連続な領域として見られ得ることを可能にする。言い換えると、該ＬＥＤ照明器具は白熱照明器具の視覚的外観を一層良好に模する。

プリズム状光学構造３０４の角度は、ＬＥＤ照明器具３００を見た場合にＬＥＤ光源１０２の直視が該光学構造３０４における全内部反射（ＴＩＲ）により妨げられるように選択される。ＴＩＲは、光線３０６が屈折率ｎ１を持つ透光性カバー３０２と屈折率ｎ２を持つ光室３１０との間の当該内側表面３０８に、該内側表面３０８の法線に対してarcsin(n2/n1)に等しい臨界角θ_criticalより大きな角度θで到達した場合に生じる。このような角度θでは、光線３０６は内側表面３０８において、如何なる光も該内側表面を超えて伝搬せず、実質的に全ての光が該内側表面３０８において反射されるように全反射される。

ＴＩＲは、プリズム状光学構造の２ｘ(９０−θ_critical)以下の頂角（top angle）に対して達成される。例えば、この実施態様において、透光性カバー３０２は１.４８０なる屈折率ｎ１を持つポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）から形成され、ＬＥＤ及びＰＣＢが収容される光室３１０は１なる屈折率ｎ２を持つ空気を有する。この結果、４２.５度に等しい臨界角θ_criticalとなる。従って、ＴＩＲは、当該プリズム状光学構造３０４の９５度以下（９０度未満等）の頂角を用いて達成される。結果として、光線３０６は反射して戻されるが、光学構造３０４により、反射された光線３１２が光線３０６に対して或る角度で伝搬するように向きが変更される。これにより、例えば点ＰにおけるＬＥＤ光源１０２の直視が減じられる。

本発明の他の実施態様によれば、当該透光性カバーは１.５８５なる屈折率ｎ１を持つポリカーボネート（ＰＣ）から形成される。この結果、３９.１度に等しい臨界角θ_criticalが得られる。この場合、プリズム光学構造の頂角はＴＩＲを達成するために１０２度以下（１００度未満等）になるべきである。

これらの数値は、プリズム状構造３０４の仮想三角形底辺に対して垂直に送られる光線を仮定して計算されたものであることに注意されたい。

好ましい実施態様によれば、上記プリズム状構造の頂角は、使用される材料により設定される所要のＴＩＲ角（θ_critical）より約１０度小さくされる。

図４は参考のために従来のＬＥＤ照明器具４００を示し、透光性カバー４０２は、ＬＥＤ光源４０６からの光を反射及び／又は屈折するようには構成されていない光学構造４０４を有する。これにより、ＬＥＤ光源４０６は点Ｐにおいて直視可能であり、この結果、当該ＬＥＤ照明器具４００を見る者に対して不快さ又は障害を生じさせ得るようなグレアが生じる。

本発明の前記実施態様による透光性カバーを備えたＬＥＤ照明器具は不均一な発光分布を示すことにも注意すべきである。ＬＥＤ照明器具の斯かる発光の結果、当該ＬＥＤ照明器具を見る方向に依存して形状が変化する発光パターンが得られる。これは、２つのＬＥＤ１０２が２つの反対方向に光を放出するように配置される結果である。例えば、当該発光パターンは、当該ＬＥＤ照明器具をＬＥＤの一方の発光面の法線に実質的に平行な方向で見た場合に、該ＬＥＤの発光面を中心として観察される一層高い輝度の主中心スポットを含み得る。しかしながら、該ＬＥＤ照明器具を上記方向に対して垂直な方向で見た場合、２つの分かれた極大部が観察される。これにより、大きな角度分布は有するが、白熱光源におけるフィラメントのものを模した輝度分布を持つＬＥＤ照明器具が提供される。即ち、フィラメントを該フィラメントの延在方向に沿って又は垂直に見た場合と同様の発光パターンが観察される。

図５ａは、本発明の他の実施態様によるＬＥＤ照明器具５００の断面図を示す。該ＬＥＤ照明器具５００は、ＬＥＤ光源１０２、透光性カバー５０２及び光学構造５０４を有している。光学構造５０４は透光性カバー５０２の外側表面５０６上に配設される。利点は、伝統的なハロゲン型照明器具と比較して一層大きな光出力及び一層長い寿命等の改善された性能並びに改善された外観を備えたＬＥＤ照明器具が提供されることである。ＬＥＤ光源１０２からの光は、該ＬＥＤ光源１０２からの光を反射及び／又は屈折させる透光性カバー５０２を使用することにより、当該ＬＥＤ照明器具５００からの光放出が改善されるように再分散される。

図５ｂはＬＥＤ照明器具５００の斜視図を示す。該図から、光学構造５０４はドーム状透光性カバー５０２の長軸に沿って該透光性カバー５０２の上部まで延びていることが理解される。この実施態様の利点は、ＬＥＤ光源１０２を、図５ａ及び図５ｂに開示されているように、光を主に透光性カバー５０２の長軸に平行な方向に放出するように配置することができることである。光学構造５０４を透光性カバー５０２の全長に沿って設けることにより、ＬＥＤ光源１０２からの光は該光学構造５０４により一層効率的に反射及び屈折される。このことは、当該ＬＥＤ照明器具５００からの光出力を改善し、かくして、一層効率的な照明器具が提供されるようにする。この実施態様による光学構造５０４は、更に、当該ＬＥＤ照明器具５００を透光性カバー５０２の外部から見た場合にＬＥＤ光源１０２の相対的に大きな発光領域が不連続な領域として見えるようなＬＥＤ照明器具５００を提供する。言い換えると、大きな発光強度を持つラインを有するような視覚的外観が得られる。従って、白熱光源におけるフィラメントのものを模した光強度分布が達成される。

上記プリズム状構造は、他の実施態様では、カバーの上部まで延在されないものとすることができる。

本発明の一実施態様によれば、当該ＬＥＤ照明器具の光学構造は交互の透明部分及び散乱部分を有する。このような構成は、発光がフィラメント型白熱照明器具のものを模するようなＬＥＤ照明器具内からの光の効率的な再分散を可能にする。このようなＬＥＤ照明器具は、当該ＬＥＤ照明器具を見る人に対して不快さ又は障害を生じさせ得るグレア等の問題を低減する。

当業者であれば、本発明は決して上述した好ましい実施態様に限定されるものではないと理解するであろう。逆に、多数の修正例及び変形例が添付請求項の範囲内で可能である。

例えば、前記透光性カバーの外側のプリズム状構造の側面が、交互の透明部分及び散乱部分を有する。このような構成は、発光がフィラメント型白熱照明器具のものを模すようなＬＥＤ照明器具内からの光の効率的な再分散を可能にする。この構成は、更に、当該ＬＥＤ照明器具を見る人に対して不快さ又は障害を生じさせ得るグレア等の問題を低減する。

前記複数のＬＥＤは、当該ＬＥＤ照明器具からの効率的な光の放出が達成される限り任意に配置することもできることに注意すべきである。

更に、当業者によれば、請求項に記載された本発明を実施するに際して図面、本開示及び添付請求項の精査から、開示された実施態様に対する変形例を理解し実施することができるものである。尚、請求項において、“有する”なる文言は他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。また、特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用することができないということを示すものではない。

Claims (4)

1. − 光室と、
   − 前記光室を囲み、内側表面を有する透光性カバーと、
   − 前記光室内に配置され、前記透光性カバーの前記内側表面を照明するＬＥＤ光源と、
   を有する照明器具であって、
   前記透光性カバーは第１屈折率ｎ１を持つ物質を有する一方、前記光室は第２屈折率ｎ２を持つ物質を有し、
   前記透光性カバーは、前記内側表面上に、前記照明器具を見た場合に前記ＬＥＤ光源の直視が該プリズム状光学構造における全内部反射により妨げられるように少なくとも構成されるプリズム状光学構造を有し、該プリズム状光学構造が２ｘ[９０−arcsin(n2/n1)]以下の頂角を有する、
   照明器具。
2. 前記透光性カバーが円筒状である、請求項１に記載の照明器具。
3. 前記ＬＥＤ光源が前記透光性カバー内に配置された少なくとも２つのＬＥＤを有する、請求項１又は請求項２に記載の照明器具。
4. ２つのＬＥＤが両面ＰＣＢ上に背中合わせに配置され、該ＰＣＢが熱伝導材料に熱的に接触する、請求項３に記載の照明器具。

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