JP6326455B2 - 照明ランプ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを発光源としたスポットライト等の照明ランプに関する。

上記のような照明ランプのレンズ板について、次の特許文献１には、発光源からの光が入射する面に集光用のフレネルレンズを形成することの記載がある。また特許文献２には、照明ランプに用いられるフレネルレンズにおいて、透明な軟質シリコーンゴムシートをマスター金型によりヒートプレスすることによってフレネルレンズの微細パターン条を転写形成する技術の開示がある。

特開2008-084696公報 特開2007-212771公報

このようなレンズ板は、低コスト化のために、たとえばアクリル樹脂によって形成されることが多いが、アクリル樹脂の耐熱性はそれほど高くない。そのため、引用文献１のようにレンズ板の内面に集光用のフレネルレンズを形成した構成では、発光源とレンズパターンとの距離が近くなるため、レンズパターンの先端部が熱を受けて変形する等の問題が生じる可能性がある。これを防止するには、フレネルレンズを発光源から遠ざける必要があり、レンズを小型化するのが難しい。一方、引用文献２が教示するように、耐熱性が高い素材でフレネルレンズを形成すれば、そのような問題は生じないが、複雑な工程となるためコスト高になる。

そこで本発明は、小型のレンズ板であっても発光源からの熱の影響を受けにくい新規な構成の照明ランプを提供することを目的とする。

本発明は、発光源と、前記発光源に被せられるレンズ部を有するレンズ板とを備えた照明ランプであって、前記レンズ部の内面周縁部には、同心円状のレンズパターンが形成されており、前記内面周縁部と重畳する外面周縁部には、拡散領域が形成されている。ここに内面は、発光源からの光が入射する側の面である。

前記内面周縁部のレンズパターンは、内斜面と外斜面とを有する突条を同心円状に多重配置されてなり、前記外斜面において前記発光源からの光を中心軸方向に反射させるとよい。

前記拡散領域は、ファセット加工によって形成してもよい。

本発明では、レンズ部の外面中央部と内面周縁部とを用いてレンズパターンを形成している。特にレンズパターンの中央部はレンズ部の外面にパターンを形成しているので、フレネル段差面に入射する分の光が少なく、効率的に光を入射および出射させられる。また同時にレンズパターンの中央部が発光源から遠くなるため、レンズパターンの先端部が熱によって変形しにくく、レンズ部を発光源に近づけることができ、結果としてレンズ部が小型化される。またレンズパターンの周縁部は、レンズ部の内面に形成して発光源に近づけているので、小型のレンズ板であっても、発光源からの光を効率的に入射および反射させることができる。

レンズパターンが形成されていないレンズ部の外面周縁部や内面中央部に拡散領域を形成した構成では、発光源を白色発光ダイオードとしたときの色むらが抑えられる。

（ａ）は、本発明による照明ランプ用レンズ板の一例の斜視図、（ｂ）はそのレンズ板の部分破断図である。 本発明による照明ランプ用レンズ板の他例の斜視図である。 光の屈折、反射を説明する原理図である。 本発明による照明ランプ用レンズ板の作用を説明する図である。 本発明による照明ランプの一例の斜視図である。 （ａ）は、本発明による照明ランプ用レンズ板の他例の斜視図、（ｂ）はそのレンズ板の部分破断図である。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、本発明による照明ランプ用レンズ板１は、たとえばアクリルあるいはポリカーボネイト等の透光素材で形成され、発光ダイオード等の発光源２に所定の間隔をもって被せられるレンズ部１１を備えている（図４）。透光素材は、基本的に無色透明なものを想定しているが、各種着色剤あるいは酸化チタン等の拡散剤が配合されたものでもよい。レンズ部１１は所定の厚みを有した球面の一部を切り取った基本形状である。

図２に示すように複数のレンズ部１１が共通の保持部１３に配列されていてもよい。このときレンズ部１１の個数は特に制限されず、発光源２の個数に応じて決定される。

レンズ部１１は、その外面中央部と内面周縁部とを用いて、レンズパターン１２が平面視したとき重畳しないように同心円状に形成されている。ここに内面は発光源２の照射した光が入射する側の面であり、外面はその光が出射する側の面である。レンズ部１１の中心軸とレンズパターン１２の中心軸は通常一致させることが望ましいが、レンズ板１から斜め方向に光を照射させたい場合には、レンズ部１１の中心とレンズパターン１２の中心軸をずらしてもよい。

ここに発光源２が高出力タイプであれば、そこから発する熱もそれだけ大きなものとなる。したがって、レンズ板１が充分な耐熱性を有していないならば、発光源２とレンズ部１１との間に相応の距離が必要となり、結果としてレンズ部１１が大型化することになる。

ところが、上記のようにレンズ部１１の外面中央部と内面周縁部とを用いて、レンズパターン１２を形成すれば、レンズパターン１２の中央部が発光源２から遠くなる。そのため小型のレンズ部１であっても、レンズパターン１２の先端が熱によって変形しにくく、レンズ部１を発光源２に近づけることができ、結果としてレンズ部が小型化される。またレンズパターン１２の中央部が外面に形成されているので、突条の急峻な内斜面（フレネル段差部）に入射する分の光が少なく、効率的に光を入射および出射させられる。またレンズパターン１２の周縁部はレンズ部１の内面に形成して発光源２に近づけているので、小型のレンズ板１であっても、発光源２からの光を、その部分に効率的に入射および反射させることができる。

また同様な観点から、レンズ部１１は外面側に突出したドーム形状にして、その中央部を発光源２から遠ざけるようにしてもよい。

このレンズ板１は、主にスポットライトあるいはダウンライト等での用途を想定したものであり、発光源２から照射される光の広がりを集光作用によって狭めることを意図している。そのためレンズパターン１２の中央部は、発光源２からの光を中心軸方向に屈折させる一方、レンズパターン１２の周縁部は、発光源２からの光を中心軸方向に反射させるように形成するとよい。

より具体的には、レンズパターン１２の中央に円形凸面を配置し、その周囲に、急峻な内斜面と緩い外斜面とを有する突条を同心円状に多重配置して、円形凸面と突条の緩い外斜面とによって発光源２からの光を中心軸方向に屈折させる屈折領域１２ａとする。

そして更に外側に、いずれも急峻な内斜面と外斜面とを有する突条を同心円状に多重配置して、突条の急峻な外斜面によって発光源２からの光を中心軸方向に反射させる反射領域１２ｂとする。このような屈折領域１２ａと反射領域１２ｂからなるレンズパターン１２は一種のフレネルレンズである。

発光源２が白色発光ダイオードである場合、そこから照射される光は照射方向に依存した色むらが生じやすい傾向がある。しかし上記のようにレンズパターン１２を、円形凸面と、複数の突条とによって構成して、屈折あるいは全反射が生じる曲面を適宜調節することによって、それらの曲面による屈折光、反射光が重なり合う効果が生じて、照明光の色むらが抑えられる。レンズ部１１の外面中央部に露出したレンズパターン１２によって独特な風合いも得られる。また屈折領域１２ａを構成する円形凸面や突条は背が低く幅広いので、レンズ部１１の外面にあっても、それらの間に埃が溜まりにくいという利点がある。

基本的な構成では、レンズ部１１の外面中央部に屈折領域１２ａを形成し、レンズ部１１の内面周縁部に反射領域１２ｂを形成する。しかしその基本構成から、屈折領域１２ａがレンズの内面周縁部まではみ出してその分反射領域１２ｂが狭くなるような変形、あるいはその逆の変形も可能である。

ついで図３、図４に従ってレンズ部１１の作用を説明する。
図３のように、入射角を i、屈折角を r、入射光の側の媒質の絶対屈折率をＮi、 屈折光の側の媒質の絶対屈折率をＮrと定義すると 、その界面においてはよく知られているように次のようなスネルの法則が成り立つ。
ｓｉｎ（ｉ）／ｓｉｎ（ｒ）＝Ｎr／Ｎi （式１）

図４は、レンズ部１１の縦断面における入射光と反射光の進行方向を矢印によって示している。

ここで破線（Ａ）によって囲まれた部分はレンズパターン１２の中心にあって、発光源２（の中心）からの入射光は中心軸上を直進して、そのままレンズ部１１を通過する。

破線（Ｂ）によって囲まれた部分は屈折領域１２ａであって、入射光はレンズ部１１の内面において中心軸方向に屈折され、更にレンズ部１１の外面においても中心軸方向に屈折されてレンズ部１１を通過する。レンズ部１１の内面および外面での屈折は上記式（１）の関係を満たす。

破線（Ｃ）によって囲まれた部分は反射領域１２ｂであって、入射光はレンズ部１１の内面に形成された突条の内斜面で屈折され、その突条の外斜面で全反射され、更に、レンズ部１１の外面で屈折されてレンズ部１１を通過する。ここで突条の内斜面およびレンズ部１１の外面での屈折は上記式（１）の関係を満たすが、これらの界面に対する入射角はさほど大きくなく、反射領域１２ｂでの作用では、突条の外斜面による全反射が重要な役割を果たす。この全反射は、上記式（１）が成立できない条件で生じる。

たとえばレンズ板１を形成する透光素材の絶対屈折率を１．５と仮定すれば、空気の絶対屈折率は１であるから、上記式（１）より次の式が導出される。
ｓｉｎ（ｒ）＝１．５×ｓｉｎ（ｉ）（式２）
この式（２）は、ｓｉｎ（ｉ）が１／１．５より大きいと成立しない。換言すると４１度（臨界角）より大きい入射角ｉに対しては、式（１）を満たす出射角ｒが存在せず、入射光は全反射される。

図５は、上記のようなレンズ板１を用いた照明ランプ３の一例の外観を示している。この照明ランプ３はスポットライトであって、円筒状の遮光フード部３１の奥にレンズ板１が嵌められている。その奥には、特に図示しないが、すり鉢状の反射鏡が配置され、その底部に高出力の白色発光ダイオードよりなる発光源２が配置されている。発光源２の背後には放熱装置３２が取り付けられている。

上記レンズ板１では、レンズパターン１２が形成されないレンズ部１１の内面中央部と外面周縁部は平滑面とされている。しかしレンズパターン１２が形成されていないレンズ部１１の外面周縁部や内面中央部に拡散領域１２ｃを設ければ、発光源２を白色発光ダイオードとしたときの色むらが更に抑えられる。

図６（ａ）、図６（ｂ）は、拡散領域１２ｃをファセット加工によって形成した例である。ここではレンズ部１１の外面中央部の屈折領域１２ａを取り巻いて、外面周縁部の全体に微小な凸面（ファセット）がタイル状に張り巡らされている。これらの凸面は凹面に置き換えても同様の効果が得られる。また拡散領域１２ｃは、フロスト加工によっても形成でき、拡散剤を配合した被膜によっても形成できる。

１ 照明ランプ用レンズ板
１１ レンズ部
１２ レンズパターン
１２ｃ 拡散面
２ 発光源
３ 照明ランプ

Claims (3)

1. 白色発光ダイオードからなる発光源と、
   前記発光源に被せられるレンズ部を有するレンズ板とを備えた照明ランプであって、
   前記レンズ部の内面周縁部には、内斜面と外斜面とを有する突条を同心円状に多重配置されてなり、前記外斜面において前記発光源からの光を前記レンズ部の中心軸方向に反射させるレンズパターンが形成されており、前記突条先端部と前記光源の中心を含み前記中心軸に垂直な面との距離は、最も内面中央部に近い突条の先端部に比べて最も外周側の突条の先端部が近く、
   前記レンズ部の内面中央部には、前記レンズパターンが形成されておらず、
   前記内面周縁部と重畳する外面周縁部には、微小な凸面又は凹面からなるファセットがタイル状に張り巡らされた拡散領域が形成されており、
   前記発光源から発する光の広がりを前記レンズ部によって狭める、照明ランプ。
2. 請求項１に記載の照明ランプにおいて、
   前記レンズ部の内面中心と前記光源の中心との距離は、前記内面周縁部における突条先端部と前記光源の中心を含み前記中心軸に垂直な面との距離より離れている、照明ランプ。
3. 請求項１又は２に記載の照明ランプにおいて、
   円筒状の遮光フード部と、その奥に嵌められた前記レンズ板と、すり鉢状の反射鏡と、
   その底部に前記発光源を備えた、
   スポットライト又はダウンライトである照明ランプ。

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