JP6227904B2 - Ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ光源装置に関するものであり、詳しくは、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球（特に、ソケット一体型電球）と置き換えが可能であり且つ電球と近似した配光特性を有する、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ光源装置に関する。

従来、この種のＬＥＤ光源装置としては、例えば、特許文献１に「電球形ランプ」として図１２に示す構造のものが開示されている。

それは、ヒートパイプ８０の一端部の先端に多面体形の支持体８１が取り付けられ、支持体８１の表面（周面の６面及び上面の１面）に放熱シートを介して発光モジュール８３が取り付けられている。発光モジュール８３は、基板８４と基板８４に実装された半導体発光素子（ＬＥＤ素子）８５を備えている。そして、光拡散性を有するドーム状のグローブ８６が、支持体８１及び発光モジュール８３からなる発光体８７を覆うように形成されている。このような構造の電球形ランプ８８は、白熱電球に近い配光特性を得ることができる、とされている。

また、特許文献２には、図１３（ａ）に示す光学系を備えた「ＬＥＤバルブ」として開示されている。

それは、ＬＥＤ発光体素子９０の光照射方向前方に反射部材９１を配設した構成からなり、反射部材９１はＬＥＤ発光体素子９０の発光面９２に対向する反射面９５を備えており、該反射面９５は頂部９３をＬＥＤ発光体素子９０の発光面９２側に向けると共に側面を中心軸９６側に凹状に湾曲した湾曲面とする湾曲円錐状反射面９４からなっている。

これにより、ＬＥＤ発光体素子９０からの出射光は、反射部材９１の湾曲円錐状反射面９４によって光照射方向の側方及び斜め後方に向けて放射状に反射される。このとき湾曲円錐状反射面９４は反射光を出射光とする疑似光源（Ｅ）を形成し、疑似光源（Ｅ）の出射光（湾曲円錐状反射面９４の反射光（Ｆ））は、フィラメントを有するハロゲンバルブを光源としたときの光の出射方向と略同一となり、且つ疑似光源（Ｅ）の形成位置及び発光領域の大きさはハロゲンバルブの配置位置及び大きさと略同一とすることが可能である、とされている。

特開２０１１−１４６２５３号公報 特許第４６８９７６２号公報

ところで、上記特許文献１で開示された電球形ランプ８８は、光学系において点光源とみなすことができるＬＥＤ素子８５が支持体８１に対して点在して配置されている。そのため、１点を焦点とする光学系においては、焦点位置にある１つのＬＥＤ素子以外のいずれのＬＥＤ素子もその出射光を配光制御することはできない。

一方、上記特許文献２のＬＥＤバルブは、疑似光源（Ｅ）からの出射光、つまり湾曲円錐状反射面９４による反射光（Ｄ）が図１３ （ｂ）に示すように、湾曲円錐状反射面９４を投影して内側に凹んだ一対の脚を有する湾曲台形状の配光パターン９７を形成する。そのため、疑似光源（Ｅ）からの出射光は、一定の径でコイル状に巻回されたフィラメントからの出射光とは異なる配光パターンを形成する。

換言すると、疑似光源（Ｅ）は配光特性に関しては、巻径を徐々に変えて湾曲円錐状に巻回したコイル状のフィラメント（Ｆ）からなる光源に相当するものである。そのため、疑似光源（Ｅ）を灯具内に配設した場合、疑似光源（Ｅ）からの出射光のうち疑似光源（Ｅ）の、フィラメントの大径で巻回された部分に対応する位置からの出射光は、灯具の配光制御系によって広がる方向に配光制御され、フィラメントの小径で巻回された部分に対応する位置からの出射光は、集光する方向に配光制御される。

その結果、疑似光源（Ｅ）を配設した灯具は、一定の径でコイル状に巻回されたフィラメントからなる発光源を配設した本来の灯具による配光特性と同等な配光特性を得ることは難しい。

また、疑似光源（Ｅ）となる湾曲円錐状反射面９５を備えた反射部材９１は、該反射部材９１を支持する支柱が必要であり、該支柱は灯具内の限られたスペースにおいては反射部材９１の近傍に配置する必要があり、そのため、疑似光源（Ｅ）からの出射光を遮って影を形成する要因となる。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球と置き換えが可能であり且つ電球と近似した配光特性を有する、ＬＥＤ素子を発光源とするＬＥＤ光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、ＬＥＤ光源と、 前記ＬＥＤ光源の上方に配置されて、前記ＬＥＤ光源から出射される光が該ＬＥＤ光源側に位置する複数の光入射面から入射してその入射光が導光されて前記複数の光入射面と反対側に位置する光出射面から出射する導光体と、前記導光体の光出射面を覆うように装着されて、前記導光体の光出射面から出射した光が内面から入射してその入射光が通過して外面から出射する中空形状のキャップと、を有し、前記キャップの内面には波長変換部材が配置されているか又は光拡散処理が施されており、前記複数の光入射面は、前記ＬＥＤ光源の直上に位置し、前記ＬＥＤ光源を通る光軸と同一線上に位置する前記導光体の中心軸を回転軸とする前記ＬＥＤ光源側に凹状の回転非球面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の周縁部から前記ＬＥＤ光源側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く略線分を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる第２光入射面と、前記第１光入射面及び前記第２光入射面の外側に位置し前記中心軸に対して離れる方向に延びる円弧を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた環状曲面からなる第３光入射面を有し、前記第１光入射面は前記中心軸上に焦点を有すると共に、前記第３光入射面は前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点とは異なる位置に中心を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記導光体には、前記複数の光入射面の少なくとも１つから入射した光を反射する内部反射面を有していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項２において、前記内部反射面は、前記第２光入射面の前記ＬＥＤ光源側の周端部と前記第３光入射面の内周縁部を結び前記ＬＥＤ光源と反対側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた回転非球面からなり、前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点及び前記第３光入射面の中心とは異なる位置に焦点を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項２又は３のいずれかにおいて、前記ＬＥＤ光源を側方から囲むように環状のリフレクタが設けられ、該リフレクタの前記ＬＥＤ光源と対向する側の面を光反射面とすると共に、前記ＬＥＤ光源からの光が該光反射面で反射されて前記導光体の複数の光入射面の１つから導光体内に入射されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項４において、前記リフレクタの光反射面は、前記ＬＥＤ光源の位置を第１焦点の位置とし前記中心軸を回転軸とする回転楕円面からなり、前記中心軸上の、前記第３光入射面の中心と同一位置に第２焦点を有することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、請求項４又は５のいずれかにおいて、前記ＬＥＤ光源から出射した相対的に輝度の高い光は前記第１光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が最も長い領域に至り、相対的に輝度の中位の光は前記第２光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が中間の領域に至り、相対的に輝度の低い光は前記リフレクタの光反射面で反射されて前記第３光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が最も短い領域に至ることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記キャップの先端には、該キャップの外形よりも大きい遮光部が設けられていることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記導光体は、中空部を挟んでＬＥＤ光源側導光部と光出射面側導光部の２つの導光部分に分割した構成となっていることを特徴とするものである。

本発明のＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤ光源からの光を導光して光出射面から出射する導光体の、前記光出射面を覆うように内面に波長変換部材が配置されているか又は光拡散処理が施されているキャップを装着した。

これにより、キャップからの出射光は、従来のコイル状フィラメントを発光源とする電球と近似した配光特性を有するものとなり、従来の電球と置き換えが可能となった。

従来のソケット一体型電球の説明図である。 本発明のＬＥＤ光源装置に係わる実施形態の斜視説明図である。 同じく、実施形態の縦部分断面図である。 ＬＥＤの説明図である。 導光体の説明図である。 導光体及びリフレクタの説明図である。 光路説明図である。 波長変換兼遮光用キャップの説明図である。 従来のソケット一体型電球を装着した灯具の説明図である。 実施形態のＬＥＤ光源装置を装着した灯具の説明図である。 分割導光体の説明図である。 従来例の説明図である。 同じく、従来例の説明図である。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図１１を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は従来のソケット一体型電球の説明図、図２〜図７は従来のソケット一体型電球に代わる本発明のＬＥＤ光源装置に係わる実施形態を示す説明図であり、図２は斜視説明図、図３は縦部分断面図、図４はＬＥＤの説明図、図５は導光体の断面説明図、図６は導光体及びリフレクタの断面説明図、図７は光路説明図である。

従来のソケット一体型電球６０は図１にあるように、光源の電球６１と電球６１を装着する電球ソケット７０を備えている。

電球６１は、例えば、内部に窒素やアルゴン等の不活性ガスが封入されると共に、場合によっては、ヨウ素や臭素等のハロゲンガスあるいはハロゲン化合物ガスが封入されている。同時に、電球６１内部には、発光源となるコイル状に巻回されたフィラメント６２が巻回中心軸線Ａ_１が電球６１の中心軸線Ａ_２と略一致するように配置され、フィラメント６２の両端部の夫々が、電球６１に気密に貫通した一対のリード線６３、６４の該電球６１内に位置する内部リード部６３ａ、６４ａの先端部に接続されて、フィラメント６２の支持とフィラメント６２に対する電気的導通が図られている。

電球ソケット７０は、ホルダ部７１とソケット部７２で構成され、ホルダ部７１は電球６１の後端部を収容して該電球６１を電球ソケット７０に装着する。一方、ソケット部７２は、一対のリード線６３、６４の、電球６１外に位置する外部リード部６３ｂ、６４ｂに接続されて外部からの電力を受電する外部接続電極端子６５、６６を有すると共に、灯具に装着する際に該灯具の電球取付部に嵌装する部分となる。

これに対し、本発明のＬＥＤ光源装置は、上記従来のソケット一体型電球の電球ソケット７０に対してソケット部７２を共通化し、従来のソケット一体型電球の電球６１に代わるものとして、従来のソケット一体型電球の発光源であったフィラメント６２に代わって半導体発光素子（本実施形態ではＬＥＤ素子）を発光源とする光学系を構成し、電球ソケット７０の、電球６１を支持するホルダ部７１をＬＥＤ素子が搭載されたＬＥＤ光源を実装するＬＥＤ実装部として機能するものとした。

以下に、本実施形態のＬＥＤ光源装置に関わる具体的な構成について詳細に説明する。

図２及び図３より、ＬＥＤ光源装置１は、ＬＥＤ光源１０と、底面側の光入射面から入射したＬＥＤ光源１０からの出射光を頂点側の光出射部２１まで導光する中実体からなる略円錐形状の導光体２０と、光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１と、光体２０の底面側の下方に位置してＬＥＤ光源１０を側方から囲むように設けられた環状のリフレクタ３５と、により光学系が構成されている。

また、光学系を構成する上記光学部材（ＬＥＤ光源１０、導光体２０、波長変換用キャップ４１及びリフレクタ３５）以外に、ＬＥＤ光源１０を実装するＬＥＤ実装基板３０、ＬＥＤ実装基板３０上に位置してＬＥＤ光源１０に対して所定の位置に導光体２０を支持するリフレクタ３５（光の反射機能も有する）、ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５及び導光体２０の光出射部２１以外の部分の夫々を覆うように一体に拘束する中空体からなる筒状の略円錐形状のシェード４０、シェード４０及び導光体２０の光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１を覆うように配設された略円錐台形状のアウターカバー４５、及び、シェード４０及びアウターカバー４５を支持し、外部接続電極端子（図示せず）を有し且つ灯具に装着する際に該灯具の電球取付部に嵌装する部分となるソケット５０を備えている。

ＬＥＤ光源１０は、発光源となるＬＥＤ素子１１が基板１２にボンディングされ、該ＬＥＤ素子１１が光軸Ｘ方向の上方の外面１３を凸ドーム状の球面又は非球面とする透光性樹脂１４で樹脂封止されている。透光性樹脂１４は、ＬＥＤ素子１１を水分、塵埃及びガス等の外部環境から保護すると共に、ＬＥＤ素子１１の光出射面１５と界面を形成することによりＬＥＤ素子１１で発光された光をＬＥＤ素子１１の光出射面１５から透光性樹脂１４内に効率良く出射させる機能を有している（図４（ＬＥＤ光源の説明図）参照）。

導光体２０は、ガラスあるいは樹脂等の透明部材（本実施形態においては石英ガラス）からなり、図５（導光体の説明図）に示すように、光学系において点光源として見なすことができる発光源（本実施形態においてはＬＥＤ素子(図示せず）)を想定し、ＬＥＤ素子の光出射点Ｐを含む光軸Ｚを回転軸（中心軸）Ｚとする略回転円錐形状を呈しており、その底面側（ＬＥＤ光源１０と対向する側）に光入射面２２と内部反射面（全反射面）２３を有し、頂点側に光出射部２１を有している。

導光体２０を、中心軸Ｚに沿う断面で見ると、導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を焦点Ｑの位置とし、中心軸Ｚを回転軸とする焦点Ｑ側に凹状の回転非球面からなる第１光入射面２２ａを有している。

同時に、第１光入射面２２ａの周縁部からＬＥＤ光源１０側に向かって中心軸Ｚに対して離れる方向に開く略線分を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる第２光入射面２２ｂを有している。

また、内部反射面２３は、導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を焦点Ｒの位置とし、第２光入射面２２ｂのＬＥＤ光源１０側の周端部からＬＥＤ光源１０と反対側に向かって中心軸Ｚに対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた回転非球面からなる全反射面で構成されている。

光入射面２２はさらに、導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を中心Ｏの位置とし、内部反射面２３のＬＥＤ光源１０と反対側の周端部から中心軸Ｚに対して離れる方向に延びる円弧を、中心軸Ｚを回転軸として回転して得られた環状曲面からなる第３光入射面２２ｃを有している。

光出射部２１は、中心軸Ｚに沿う略円柱形状を呈しており、側面及び先端面が光出射面２１ａとなっている。

図２及び図３に戻って、導光体２０の底面側の下方には、ＬＥＤ実装基板３０上に位置しＬＥＤ光源１０を側方から囲むように設けられたリフレクタ３５を有すると共に、該リフレクタ３５は導光体２０を下側から支持している。

また、リフレクタ３５は図６（導光体及びリフレクタの説明図）に示すように、ＬＥＤ光源１０に対向する側の面を鏡面反射処理が施された光反射面（鏡面反射面）３５ａとしており、鏡面反射面３５ａは、ＬＥＤ光源１０のＬＥＤ素子（図示せず）の光出射点Ｐの位置を第１焦点Ｓ_１の位置とすると共に導光体２０内の中心軸Ｚ上の所定の位置を第２焦点Ｓ_２の位置とし、ＬＥＤ光源１０の光軸Ｚを回転軸とする回転楕円面からなっている。

したがって、導光体２０には中心軸Ｚ上に、回転非球面からなる第１光入射面２２ａの焦点Ｑ、回転非球面からなる内部反射面（全反射面）２３の焦点Ｒ、及び回転楕円面からなる鏡面反射面３５ａの第２焦点Ｓ_２（第３光入射面２２ｃの中心Ｏと同一位置）の３つの焦点を有している。

図２及び図３に戻って、ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５及び導光体２０の光出射部２１以外の部分の夫々は、中空体からなる筒状の略円錐台形状のシェード４０によって覆われており、ＬＥＤ実装基板３０、リフレクタ３５及びシェード４０がネジ４７によって基台４６に共締めされることにより一体に拘束されている。

導光体２０の光出射部２１には、内面に例えば蛍光体等からなる波長変換部材４１ａが塗布された、透明部材（例えば、導光体と同様に石英ガラス）からなる中空の円筒形状の波長変換用キャップ４１が装着されている。同時に、ＬＥＤ素子には、その出射光が波長変換部材４１ａを励起して所望の波長の波長変換光を放出させる種類のものを用いる。

具体的には、ＬＥＤ素子に青色光を発光する青色ＬＥＤ素子を用い、波長変換部材４１ａに青色ＬＥＤ素子の出射光の青色光に励起されて青色光の補色となる黄色光に波長変換する黄色蛍光体を用いると、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が黄色蛍光体を励起することにより波長変換された黄色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光に近い色相の光を得ることができる。

また、同様にＬＥＤ素子に青色光を発光する青色ＬＥＤ素子を用い、黄色蛍光体の代わりに青色光に励起されて緑色光に波長変換する緑色蛍光体と赤色光に波長変換する赤色蛍光体との混合蛍光体を用いると、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部が緑色蛍光体を励起することにより波長変換された緑色光と、青色光の一部が赤色蛍光体を励起することにより波長変換された赤色光と、青色ＬＥＤ素子から発せられた青色光の一部との加法混色によって白色光を得ることができる。

さらに、ＬＥＤ素子からの出射光の色相（波長）と蛍光体の種類とを適宜に組み合わせることにより、白色光以外の種々な色相の光を得ることができる。

さらに、基台５６上に配設されてシェード４０及び導光体２０の光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１を覆う、透明部材で形成された中空体からなる筒状の略円錐台形状のアウターカバー４５を備えている。

なお、基台４６の下方には、該基台４６を支持し、外部接続電極端子（図示せず）を有し且つ灯具に装着する際に該灯具の電球取付部に嵌装する部分となるソケット５０を備えている。

次に、上記光学系において、ＬＥＤ光源からの出射光が進む光路について、図７（光路説明図）を用いて詳細に説明する。

まず、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍の上方の導光体２０の第１光入射面２２ａに向けて出射された、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の高い光Ｌ１は第１光入射面２２ａから導光体２０内に入射し、導光体２０内に入射した光Ｌ１は主に焦点Ｑの位置に向けて導光体２０内を導光されて一旦焦点Ｑの位置に集光し、その後さらに導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の光出射面２１ａの、ＬＥＤ光源１０からの距離が最も長い領域２１ａａに至る。なお、ＬＥＤ光源１０の光軸Ｘと導光体２０の中心軸Ｚは同一線上に位置する。

また、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍よりも多少傾斜した斜め上方の導光体２０の第２光入射面２２ｂに向けて出射された、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の中位の光Ｌ２は第２光入射面２２ｂから導光体２０内に入射し、導光体２０内に入射した光Ｌ２は主に内部反射面（全反射面）２３に向けて導光体２０内を導光されて内部反射面２３で焦点Ｒの位置に向けて反射（全反射）され、さらに導光体２０内を導光されて一旦焦点Ｒの位置に集光し、その後さらに導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の光出射面２１ａの、ＬＥＤ光源１０からの距離が中間の領域２１ａｂに至る。

さらに、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘに対して大きく傾斜した斜め側方のリフレクタ３５の光反射面（鏡面反射面）３５ａに向けて出射された、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の低い光Ｌ３は主に光反射面３５ａに向けて反射（鏡面反射）されて導光体２０の第３光入射面２２ｃから導光体２０内に入射し、導光体２０内に入射した光Ｌ３は主に第２焦点Ｓ２の位置に向けて導光体２０内を導光されて一旦第２焦点Ｓ２の位置に集光し、その後さらに導光体２０内を拡散しながら導光して光出射部２１の光出射面２１ａの、ＬＥＤ光源１０からの距離が最も短い領域２１ａｃに至る。

ＬＥＤ光源１０から出射して導光体２０内を導光されて光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃに至った光は、夫々の領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃから外部に向けて出射される。

このとき、光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃは、光出射部２１に装着され波長変換用キャップ４１の内面に塗布された波長変換部材４１ａに対向しており、夫々の領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃから外部に向けて出射された光は対向する波長変換部材４１ａに向けて照射され、ＬＥＤ光源１０から出射して波長変換部材４１ａで波長変換された光とＬＥＤ光源１０から出射して光波長変換部材４１ａを透過した光との加法混色によりＬＥＤ光源１０の出射光とは異なる色調の光Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３が拡散光として波長変換用キャップ４１の外側面から外部に照射される。

なお、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ方向に向けて出射された光は、ＬＥＤ光源１０の出射光とは異なる色調の光Ｌ４４の拡散光として、波長変換用キャップ４１の外正面４１ｃから外部に照射される。

そして、波長変換用キャップ４１からの照射光は、アウターカバー(図示せず)を介してＬＥＤ光源装置外に照射される。

以上のように、本発明のＬＥＤ光源装置は、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍の上方の導光体２０の第１光入射面２２ａに向けて出射された光Ｌ１、ＬＥＤ光源１０から光軸Ｘ近傍よりも多少傾斜した斜め上方の導光体２０の第２光入射面２２ｂに向けて出射された光Ｌ２及びＬＥＤ光源１０から光軸Ｘに対して大きく傾斜した斜め側方のリフレクタ３５の光反射面（鏡面反射面）３５ａに向けて出射された光Ｌ３の夫々の光路を形成する３つの焦点Ｑ、焦点Ｒ及び第２焦点Ｓ２を導光体２０の内部の中心軸Ｚ上に設けた。上述したように、ＬＥＤ光源１０の光軸Ｘと導光体２０の中心軸Ｚは同一線上に位置する。

これにより、ＬＥＤ光源１０からの出射光を効率良く導光体２０内で集光させることにより輝度を高めた光を、導光体２０外の波長変換用キャップ４１の波長変換部材４１ａに照射するようにした。その結果、ＬＥＤ光源１０からの出射光が効率良く且つ高輝度で波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される。

また、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の高い光Ｌ１はＬＥＤ光源１０からの距離が最も長い領域２１ａａに至り、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の中位の光Ｌ２はＬＥＤ光源１０からの距離が中間の領域２１ａｂに至り、ＬＥＤ光源１０からの出射光において相対的に輝度の低い光Ｌ３はＬＥＤ光源１０からの距離が最も短い領域２１ａｃに至る。

そのため、導光体２０の光出射部２１の光出射面２１ａの各領域２１ａａ、２１ａｂ、２１ａｃにおいては、ＬＥＤ光源１０からの出射光が輝度と光路長との相関によりほぼ均一化された輝度分布となり、この均一な輝度分布の光を導光体２０外の波長変換用キャップ４１の波長変換部材４１ａに照射するようにした。その結果、ＬＥＤ光源１０からの出射光がほぼ均一な輝度分布で波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される。

また、波長変換用キャップ４１から外部に向けて照射される照射光は、波長変換部材４１ａの光拡散性によって拡散光として照射される。

以上のように、導光体２０の光出射部２１に装着された波長変換用キャップ４１からは、高輝度で輝度分布の均一性が良好な拡散光が照射される。これは、波長変換用キャップ４１と同一長のフィラメントを想定したときに該フィラメントからの放射光とほぼ等価な光として見なすことができる。したがって、ＬＥＤ素子を発光源とする本発明のＬＥＤ光源装置は、従来のコイル状フィラメントを発光源とするソケット一体型電球に対して光学的且つ構造的に互換性を有するために置き換えが可能である。

ところで、上記ＬＥＤ光源装置の使用例として、車両用灯具に光源として用いられているソケット一体型電球を置き換えることが考えられる。その場合、上記ＬＥＤ光源装置の構成を基本構成として、車両用灯具に求められる配光規格を満足するように一部を変更する。

具体的には、図８（波長変換兼遮光用キャップの説明図）に示すように、導光体２０の光出射部２１に装着する、内面に例えば蛍光体等からなる波長変換部材が塗布された中空の円筒形状の波長変換用キャップの代わりに、該波長変換用キャップと同一構造からなる中空の円筒形状の波長変換部４３と波長変換部の先端に設けられた円盤状の遮光部４４とが一体に形成された波長変換兼遮光用キャップ４２を用いる。

波長変換兼遮光用キャップ４２は透明部材（例えば、波長変換用キャップと同様に石英ガラス）で形成され、波長変換部４３の内面には例えば蛍光体等からなる波長変換部材４３ａが塗布され、遮光部４４の外面には、例えば黒色の遮光膜４４ａ等による遮光手段が施されている。これにより、波長変換部４３の外側面４３ｂからは外部に向けて照射光が照射されるが、遮光部４４からの照射光は遮光手段によって阻止される。

そこで、従来のソケット一体型電球６０と波長変換兼遮光用キャップ４２を装着した実施形態のＬＥＤ光源装置１を、例えばリフレクタ５６を有する同一の灯具に装着し、そのときのソケット一体型電球６０に発光源として用いられているコイル状に巻回されたフィラメント６２からの放射光（図９（従来のソケット一体型電球を装着した灯具の説明図）参照）と、ＬＥＤ光源装置１の光源として用いられているＬＥＤ光源１０から出射されて導光体２０内を導光されて波長変換兼遮光用キャップ４２の波長変換部４３から照射された照射光（図１０（実施形態のＬＥＤ光源装置を装着した灯具の説明図）参照）を比較すると、フィラメント６２の巻回部の長と波長変換部４３の長さを同一長とし且つフィラメント６２と波長変換部４３の位置を同一位置とした場合、フィラメント６２からの放射光のうち所定の配光パターンの形成に寄与する光Ｌ_Ｆが配光形成に至るまでに灯具内において辿る光路は、波長変換兼遮光用キャップ４２の波長変換部４３からの照射光Ｌ_Ｌにおいても同様である。そのため、波長変換兼遮光用キャップ４２の波長変換部４３からの照射光Ｌ_Ｌはフィラメント６２からの放射光Ｌ_Ｆと同様の光路を経て同様の配光パターンを形成することができる。したがって、波長変換兼遮光用キャップ４２の波長変換部４３は、上記光学機能的観点から同一長のフィラメントの疑似発光源（実像発光源）と見なすことができる。

さらに、波長変換兼遮光用キャップ４２には遮光手段が施された遮光部４４が設けられており、波長変換部４３からの照射光がグレア光とならないようにグレア光の発生を防止している。

そのため、灯具に装着された従来のソケット一体型電球に換えて、本発明のＬＥＤ光源装置を装着することにより、従来のソケット一体型電球と同様の配光パターンを形成することが可能となる。加えて、発光源をフィラメントからＬＥＤ素子に換えることにより低消費電力化によるランニングコストの低減及び光源の長寿命化も図ることができる。

ところで、ＬＥＤ光源１０から出射した光は、導光体２０内を該導光体２０内の中心軸Ｚ上に設定された焦点に集光するように導光される。そのため、導光体２０の側面は光出射部２１からの照射光の光路形成にはほとんど関与しない部分である（図７参照）。

そこで、図１１（分割導光体の説明図）のように、導光体２０を、中間部分を取り除いて中空部２４を挟んで光源側導光部２０ａと光出射側導光部２０ｂの２つの導光部分に分割した構成とすることも可能である。この場合、光源側導光部２０ａの、光出射側導光部２０ｂと対向する側の面（上面）２０ａａ及び光出射側導光部２０ｂの、光源側導光部２０ａと対向する側の面（下面）２０ｂｂはいずれも光が通過する面である。そのため、光源側導光部２０ａの上面２０ａａ及び光出射側導光部２０ｂの下面２０ｂｂの夫々は、いずれも光路形成を妨げないように通過する光の直進を維持するような形状（例えば、自由曲面）にすることが好ましい。

これにより、導光体２０の軽量化が図られ、従来のソケット一体型電球に対して置き換え可能なＬＥＤ光源装置１の軽量化及びそれに伴う、ＥＤ光源装置１を装着した灯具の軽量化を図ることができる。

なお、上記実施形態においては、波長変換用キャップ４１の内面及び波長変換兼遮光用キャップ４２の波長変換部４３の内面の夫々に波長変換部材４１ａ、４３ａを塗布したが、波長変換部材４１ａ、４３ａの代わりにＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の拡散剤を塗布する方法、あるいはサンドブラスト処理、梨地処理等の拡散処理を施す方法も可能である。

これにより、ＬＥＤ光源装置１からの出射光を拡散光として照射することができると共に、ＬＥＤ光源１０からの出射光を色相を変えることなくそのまま照射光として照射することができる。

１… ＬＥＤ光源装置
１０… ＬＥＤ光源
１１… ＬＥＤ素子
１２… 基板
１３… 外面
１４… 透光性樹脂
１５… 光出射面
２０… 導光体
２０ａ… 光源側導光部
２０ａａ… 上面
２０ｂ… 光出射側導光部
２０ｂｂ… 下面
２１… 光出射部
２１ａ… 光出射面
２２… 光入射面
２２ａ… 第１光入射面
２２ｂ… 第２光入射面
２２ｃ… 第３光入射面
２３… 内部反射面（全反射面）
２４… 中空部
３０… ＬＥＤ実装基板
３５… リフレクタ
３５ａ… 光反射面（鏡面反射面）
４０… シェード
４１… 波長変換用キャップ
４１ａ… 波長変換部材
４１ｂ… 外側面
４１ｃ… 外正面
４２… 波長変換兼遮光用キャップ
４３… 波長変換部
４３ａ… 波長変換部材
４３ｂ… 外側面
４４… 遮光部
４４ａ… 遮光膜
４５… アウターカバー
４６… 基台
４７… ネジ
５０… ソケット

Claims (8)

1. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源の上方に配置されて、前記ＬＥＤ光源から出射される光が該ＬＥＤ光源側に位置する複数の光入射面から入射してその入射光が導光されて前記複数の光入射面と反対側に位置する光出射面から出射する導光体と、
   前記導光体の光出射面を覆うように装着されて、前記導光体の光出射面から出射した光が内面から入射してその入射光が通過して外面から出射する中空形状のキャップと、を有し、
   前記キャップの内面には波長変換部材が配置されているか又は光拡散処理が施されており、
   前記複数の光入射面は、前記ＬＥＤ光源の直上に位置し、前記ＬＥＤ光源を通る光軸と同一線上に位置する前記導光体の中心軸を回転軸とする前記ＬＥＤ光源側に凹状の回転非球面からなる第１光入射面と、前記第１光入射面の周縁部から前記ＬＥＤ光源側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く略線分を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた略円筒状曲面からなる第２光入射面と、前記第１光入射面及び前記第２光入射面の外側に位置し前記中心軸に対して離れる方向に延びる円弧を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた環状曲面からなる第３光入射面を有し、前記第１光入射面は前記中心軸上に焦点を有すると共に、前記第３光入射面は前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点とは異なる位置に中心を有することを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 前記導光体には、前記複数の光入射面の少なくとも１つから入射した光を反射する内部反射面を有していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記内部反射面は、前記第２光入射面の前記ＬＥＤ光源側の周端部と前記第３光入射面の内周縁部を結び前記ＬＥＤ光源と反対側に向かって前記中心軸に対して離れる方向に開く外側に凸状の曲線を、前記中心軸を回転軸として回転して得られた回転非球面からなり、前記中心軸上の、前記第１光入射面の焦点及び前記第３光入射面の中心とは異なる位置に焦点を有することを特徴とする請求項２に記載のＬＥＤ光源装置。
4. 前記ＬＥＤ光源を側方から囲むように環状のリフレクタが設けられ、該リフレクタの前記ＬＥＤ光源と対向する側の面を光反射面とすると共に、前記ＬＥＤ光源からの光が該光反射面で反射されて前記導光体の複数の光入射面の１つから導光体内に入射されることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
5. 前記リフレクタの光反射面は、前記ＬＥＤ光源の位置を第１焦点の位置とし前記中心軸を回転軸とする回転楕円面からなり、前記中心軸上の、前記第３光入射面の中心と同一位置に第２焦点を有することを特徴とする請求項４に記載のＬＥＤ光源装置。
6. 前記ＬＥＤ光源から出射した相対的に輝度の高い光は前記第１光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が最も長い領域に至り、相対的に輝度の中位の光は前記第２光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が中間の領域に至り、相対的に輝度の低い光は前記リフレクタの光反射面で反射されて前記第３光入射面から前記導光体内に入射して前記光出射面の、前記ＬＥＤ光源からの距離が最も短い領域に至ることを特徴とする請求項４又は５のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
7. 前記キャップの先端には、該キャップの外形よりも大きい遮光部が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。
8. 前記導光体は、中空部を挟んでＬＥＤ光源側導光部と光出射面側導光部の２つの導光部分に分割した構成となっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のＬＥＤ光源装置。

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