JP6345539B2

JP6345539B2 - 光束制御部材および発光装置

Info

Publication number: JP6345539B2
Application number: JP2014175666A
Authority: JP
Inventors: 昌代瀧澤
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016051021A

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および当該光束制御部材を有する発光装置に関する。

従来、広告用の文字や絵などを描いた大型の看板が、ビルの屋上や鉄道の路線脇などに配置されている。これらの大型の看板には、夜間に表示面を照らすための照明装置が、大きさに応じて併設されている。

このような照明装置は、看板（被照射部材）の表示面を照らす複数の発光装置を有する。複数の照明器は、看板の表示面に対して斜め上、または斜め下から光を照らす（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載の照明装置は、被照射部材と、被照射部材を照らすための複数の照明器（発光装置）と、を有する。複数の照明器は、被照射部材の下端に配置されており、被照射部材に対して照明器からの出射光の光軸が斜めになるように配置されている。

また、特許文献２に記載の照明装置は、被照射部材と、被照射部材を照らすためのＬＥＤモジュールと、を有する。ＬＥＤモジュール（発光装置）は、ＬＥＤ（発光素子）と、ＬＥＤ上に配置されたコリメータレンズ（光束制御部材）と、を有する。コリメータレンズは、ＬＥＤから出射された光を入射させる入射面と、入射面で入射した光を反射させる反射面と、反射面で反射した光を外部に出射させる出射面と、を有する。出射面は、その断面形状がのこぎり歯状に形成されており、入射面で入射した光を斜め上に向かって制御するようになっている。ＬＥＤモジュールは、被照射部材に対して出射光の光軸が斜めになるように配置されている。

特開２００３−１９５７９０号公報特表２００２−５２８８６１号公報

特許文献１に記載の照明装置では、一般的な配光特性の発光装置（照明器）が看板に対して斜めに光を照射するため、被照射部材（看板）の発光装置から近い部分が明るくなり、かつ被照射部材の発光装置から遠い部分が暗くなってしまう。同様に、特許文献２に記載の照明装置では、発光装置（ＬＥＤモジュール）が被照射部材に対して斜めに光を照射するため、被照射部材の発光装置から近い部分が明るくなり、かつ被照射部材の発光装置から遠い部分が暗くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、被照射部材に対して光を斜めに照射しても、発光素子の近傍から遠方まで高い均一性で被照射部材を照らすことができる光束制御部材を提供することである。また、本発明の目的は、当該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もある。

本発明の光束制御部材は、発光素子から出射される光の光軸と、その中心軸とが一致するように配置され、前記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であって、前記中心軸と交わるように前記発光素子側に配置された凹部の内面であり、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、前記中心軸を取り囲むように配置され、前記入射面で入射した光の一部を反射させる反射面と、前記中心軸と交わるように前記入射面と反対側に配置され、前記入射面で入射した光の一部および前記入射面で入射し前記反射面で反射した光の一部を出射させる出射面と、を有し、前記入射面、前記反射面および前記出射面は、それぞれ、前記発光素子側に配置され、かつ前記中心軸と垂直に交わる直線を回転軸とした回転面の一部である中央領域と、前記中心軸および前記回転軸に垂直な方向において、前記中央領域の両端に接続して配置される端部領域とを有し、前記出射面は、前記中心軸を含み、かつ前記回転軸に垂直な平面で２分された第１出射面および第２出射面を含み、前記第１出射面を通り、かつ前記平面に平行な第１断面において、前記第１出射面の前記端部領域における接線と前記中心軸に平行な直線とのなす角度のうち小さい角度の平均角度は、前記第２出射面を通り、かつ前記平面に平行な第２断面において、第２出射面の前記端部領域における接線と前記中心軸に平行な直線とのなす角度のうち小さい角度の平均角度より小さい。

また、本発明の発光装置は、発光素子と、本発明に係る光束制御部材とを有する。

さらに、本発明に係る照明装置は、本発明に係る発光装置と、前記発光装置から出射された光を照射される被照射部材とを有し、前記第１出射面と前記被照射部材との間隔は、前記第２出射面と前記被照射部材との間隔より長い。

本発明によれば、その中心軸が被照射部材に対して傾斜するように発光装置（発光素子および光束制御部材）を配置しても、発光素子の近傍から遠方まで高い均一性で被照射部材を照らすことができる。

図１Ａ、Ｂは、本発明の一実施の形態に係る照明装置の構成を示す図である。図２は、発光装置の断面図である。図３Ａ〜Ｄは、光束制御部材の構成を示す図である。図４Ａ〜Ｄは、光束制御部材の構成を示す図である。図５Ａ、Ｂは、光束制御部材の断面図である。図６は、光軸ＬＡを通り、かつ平面に垂直な断面の照明装置における光路を示す図である。図７は、実施の形態に係る照明装置についての、配光特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図８は、実施の形態に係る照明装置についての、配光特性の測定結果を示すグラフである。

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。

（照明装置の構成）
図１は、本発明の一実施の形態に係る照明装置１００の構成を示す図である。図１Ａは、照明装置１００の半分のみの平面図であり、図１Ｂは、断面図である。なお、図１Ｂにでは、光束制御部材１３０のハッチングを省略している。

図１に示されるように、照明装置１００は、発光装置１２０と、被照射部材１６０とを有する。発光装置１２０は、発光素子１５０および光束制御部材１３０を含む。被照射部材１６０の表示面（被照射面）は、平面状に形成されている。

発光装置１２０の数は、特に限定されない。発光装置１２０の数は、被照射部材１６０の大きさによって適宜設定される。前述したように、図１Ａは、照明装置１００の半分のみを示しているので、本実施の形態では、発光装置１２０の数は、２つである。

各発光装置１２０は、被照射部材１６０から所定の高さとなるように、かつ被照射部材１６０の表示面および発光素子１５０の光軸ＬＡが所定の角度で交わるように、不図示の支持部材によって支持される。各発光装置１２０の被照射部材１６０からの高さは、自在に調整することができる。なお、被照射部材１６０の表示面と、光軸ＬＡとが交わる角度θ１は、特に限定されず、０°超かつ９０°未満であって、被照射部材１６０の照度の均一性が高くなるような角度に調整される。本実施の形態では、被照射部材１６０の表示面と、光軸ＬＡとが交わる角度θ１は、７°である。なお、光束制御部材１３０は、後述する第２出射面１３４が被照射部材１６０側に位置し、第１出射面１３３が被照射面の反対側に位置するように配置されている。すなわち、第１出射面１３３と被照射部材１６０との間隔は、第２出射面１３４と被照射部材１６０との間隔より長い。

図２は、発光装置１２０の断面図である。図２に示されるように、発光装置１２０は、発光素子１５０および光束制御部材１３０を有する。発光素子１５０は、例えば白色発光ダイオードなどの発光ダイオード（ＬＥＤ）である。光束制御部材１３０は、発光素子１５０から出射された光の配光を制御する。光束制御部材１３０は、発光素子１５０に対して、発光素子１５０の光軸ＬＡが光束制御部材１３０の中心軸ＣＡと一致するように配置される。本実施の形態では、発光素子１５０が１つの場合について示しているが、発光素子１５０は、１つの光束制御部材１３０に対して複数配置されていてもよい。発光素子１５０が複数配置されている場合、光軸ＬＡは、複数の発光素子１５０からの立体的な光束の中心における光の進行方向をいう。

図３〜５は、光束制御部材１３０の構成を示す図である。図３Ａは、光束制御部材１３０の平面図であり、図３Ｂは、底面図であり、図３Ｃは、左側面図であり、図３Ｄは、右側面図である。図４Ａは、光束制御部材１３０の正面図であり、図４Ｂは、背面図であり、図４Ｃは、図３Ａに示されるＡ−Ａ線の断面図であり、図４Ｄは、図３Ａに示されるＢ−Ｂ線の断面図である。図５Ａは、図３Ａに示されるＣ−Ｃ線の断面図であり、図５Ｂは、図３Ａに示されるＤ−Ｄ線の断面図である。

図３〜図５に示されるように、光束制御部材１３０は、入射面１３１、反射面１３２および出射面１４３を有する。光束制御部材１３０は、被照射部材１６０の表示面が均一に照らされるように発光素子１５０から出射された光の配光を制御する。光束制御部材１３０は、円環体（トーラス体）の一部のような形状をしている。円環体の内側（中心側）に相当する領域に入射面１３１が配置されており、円環体の外側に相当する領域に出射面１４３が配置されている。また、入射面１３１、反射面１３２および出射面１４３は、それぞれ、発光素子１５０側に配置され、かつ中心軸ＣＡと垂直に交わる直線を回転軸とした回転面の一部である中央領域と、中心軸ＣＡおよび前記回転軸に垂直な方向において、中央領域の両端に接続して配置された端部領域とを有する。

光束制御部材１３０は、一体成形により形成されている。光束制御部材１３０の材料は、所望の波長の光を通過させるものであれば特に限定されない。たとえば、光束制御部材１３０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。

入射面１３１は、発光素子１５０から出射された光の一部を光束制御部材１３０に入射させる領域である。入射面１３１は、発光装置１２０において、発光素子１５０と対向する光束制御部材１３０の対向部に形成された凹部１３５の内面である。凹部１３５は、光束制御部材１３０の長軸方向に沿って配置されている。入射面１３１は、天面１３６および側面１３７を有する。天面１３６は、発光素子１５０に対向して配置されている。天面１３６は、発光素子１５０側に曲率中心を有する曲面である。天面１３６は、入射面１３１の中央領域に相当する。側面１３７は、天面１３６を囲むように配置されている。側面１３７は、天面１３６と凹部１３５の開口縁部を繋ぐ複数の平面である。中心軸ＣＡおよび前記回転軸に垂直な方向の両端に位置する側面１３７は、入射面１３１の端部領域に相当する。また、中心軸ＣＡおよび回転軸に垂直な方向に延在する側面１３７は、入射面１３１の中央領域に相当する。

反射面１３２は、凹部１３５を取り囲むように配置されている。反射面１３２は、入射面１３１の側面１３７で入射した光の一部を出射面１４３に向けて全反射させる。反射面１３２は、凹部１３５の開口縁部から出射面１４３の外縁部に向かって延びる曲面である。中心軸ＣＡを含む断面において、反射面１３２は、中心軸ＣＡからの距離が凹部１３５の開口縁部から出射面１４３に向かうにつれて、中心軸ＣＡからの距離が漸次長くなるように形成された面である。なお、反射面１３２の外縁と、出射面１４３との間には、フランジ１３８が設けられていてもよい。中心軸ＣＡおよび前記回転軸に垂直な方向において、反射面１３２の中央部分は、反射面１３２の中央領域に相当し、両端部分は、反射面１３２の端部領域に相当する。

出射面１４３は、入射面１３１で入射し反射面１３２で反射した光の一部および入射面１３１で入射した光の一部を外部に出射させる。出射面１４３は、中心軸ＣＡを含み、かつ前記回転軸に垂直な平面で２分された第１出射面１３３および第２出射面１３４を有する。第１出射面１３３は、入射面１３１で入射し反射面１３２で反射した光の一部および入射面１３１で入射した光の一部を外部に出射させる。第１出射面１３３は、前記平面を境界として第２出射面１３４と隣接して配置されている。第１出射面１３３は、内側第１出射部１３９および外側第１出射部１４０を有する。内側第１出射部１３９は、中心軸ＣＡ側に配置されている。前記平面と平行な断面における内側第１出射部１３９は、外側に凸の弧状の曲線である。内側第１出射部１３９は、第１出射面１３３の中央領域に相当する。外側第１出射部１４０は、前記平面において内側第１出射部１３９の外側に配置されている。また、前記平面と平行な断面における外側第１出射部１４０は、内側第１出射面１３９の曲線よりも曲率が小さい曲線、または直線である。外側第１出射部１４０は、第１出射面１３３の端部領域に相当する。

第２出射面１３４は、前記平面を境界として第１出射面１３３と隣接して配置されている。第２出射面１３４は、入射面１３１で入射し反射面１３２で反射した光の他の一部および入射面１３１で入射した光の他の一部を外部に出射させる。第２出射面１３４は、内側第２出射部１４１および外側第２出射部１４２を有する。内側第２出射部１４１は、中心軸ＣＡ側に配置されている。前記平面と平行な断面における内側第２出射部１４１は、外側に凸の弧状の曲線である。内側第２出射部１４１は、第２出射面１３４の中央領域に相当する。なお、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、本実施の形態では、前記平面と平行な断面における内側第１出射部１３９と、前記平面と平行な断面における内側第２出射部１４１は、同じ曲率の曲線である。外側第２出射部１４２は、前記平面において、内側第２出射部１４１の外側に配置されている。また、前記平面と平行な断面における外側第２出射部１４２は、内側第２出射面１４１の曲線よりも曲率が小さい曲、または直線である。外側第２出射部１４２は、第２出射面１３４の端部領域に相当する。

図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、第１出射面１３３を通り、かつ前記平面に平行な第１断面において、第１出射面１３３の端部領域（外側第１出射部１４０）における接線と中心軸ＣＡに平行な直線とのなす角度のうち小さい角度θ２の平均角度は、第２出射面１３４を通り、かつ平面に平行な第２断面において、第２出射面１３４の端部領域（外側第２出射部１４２）における接線と中心軸ＣＡに平行な直線とのなす角度のうち小さい角度θ３の平均角度より小さく形成されている。また、第１出射面１３３を通り、かつ前記平面と平行な第１断面において、第１出射面１３３の端部における接線および光束制御部材１３０の中心軸ＣＡと平行な直線とのなす角度のうち小さい角度θ２は、第２出射面１３４を通り、かつ平面と平行な第２断面において、第２出射面１３４の端部における接線および中心軸ＣＡと平行な直線とのなす角度のうち小さい角度θ３より小さく形成されていることが好ましい。すなわち、第１出射面１３３は、第２出射面１３４より集光力が大きくなるように（正のパワーが大きくなるように）形成されている。

図６は、光軸ＬＡを通り、かつ前記平面に垂直な断面の照明装置１００における光路を示している。反射面１３２で反射し、第１出射面１３３から出射した光は、発光装置１２０から被照射部材１６０の遠方に到達する。また、反射面１３２で反射し、第２出射面１３４から出射された光は、発光装置１２０から被照射部材１６０の近傍に到達する。さらに、反射面１３２で反射することなく第１出射面１３３および第２出射面１３４から出射された光は、被照射部材１６０の全体に広く到達する。前述したように、第１出射面１３３は、第２出射面１３４と比べて凸となるように形成されている。よって、第１出射面１３３から出射した光は、平面方向にあまり広がることなく、被照射部材１６０の遠方に到達する。一方、第２出射面１３４から出射される光は、平面方向に広がり、被照射部材１６０の近傍に到達する。このように、第１出射面１３３および第２出射面１３４の境界に平行な方向において、第１出射面１３３および第２出射面１３４にそれぞれ適切な曲率を付与することで、被照射部材１６０に照射される光の幅の調整、色分離防止および基線の発生を防止することができる。なお、図６は、光軸ＬＡを通り、かつ前記平面に垂直な断面の照明装置１００における光路であるため、当該断面における第１出射面１３３から出射される光の光路と、第２出射面１３４から出射される光の光路とは、光軸ＬＡを境界として略対称となっている。さらに、被照射部材１６０が光軸ＬＡに対して傾斜しているため、第２出射面１３４から出射された光が、発光装置１２０から被照射部材１６０の遠方に到達している。

（発光装置の配光特性）
本実施の形態に係る発光装置１２０について配光特性のシミュレーションを行った。具体的には、発光素子１５０の発光中心を基準として、前記平面方向、および前記平面に直交し、かつ中心軸ＣＡを含む面の方向（垂直方向）における相対照度を求めた。本シミュレーションでは、発光素子１５０の発光中心から１０００ｍｍの距離にある仮想面における照度を算出した。図７は、本実施の形態に係る発光装置１２０についての、配光特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図７における実線は、前記平面方向についての配光特性のシミュレーション結果を示しており、破線は、前記垂直方向についての配光特性のシミュレーション結果を示している。また、グラフの外側に記載されている数値は、発光素子１５０の光軸ＬＡ（中心軸ＣＡ）に対する角度を示している。また、グラフの内側に記載されている数値は、各方向の相対照度（最大値１）を示している。

図７に示されるように、本実施の形態に係る光束制御部材１３０から出射された光は、平面方向に広がるように制御されていることがわかる。また、本実施の形態に係る光束制御部材１３０から出射された光は、垂直方向には広がらないように制御されていることが分かる。

次いで、発光装置１２０を用いて配光特性を実測した。具体的には、発光素子１５０の発光中心を基準として、前記平面方向および前記垂直方向における相対照度を求めた。本測定では、発光素子１５０の発光中心から１０００ｍｍの距離にある曲面における照度を算出した。図８は、本実施の形態に係る発光素子１５０についての、配光特性の実測結果を示すグラフである。図８における実線は、前記平面方向についての測定結果を示しており、破線は、前記垂直方向についての測定結果を示している。また、グラフの外側に記載されている数値は、発光素子１５０の光軸ＬＡ（中心軸ＣＡ）に対する角度を示している。また、グラフの内側に記載されている数値は、各方向の相対照度（最大値１）を示している。

図８に示されるように、発光装置１２０を用いた配光特性の実測でも、前述したシミュレーション結果と同様の結果が得られた。

（効果）
本実施の形態に係る発光装置１２０は、発光素子１５０から出射した光を、被照射部材１６０側の第２出射面１３４で拡げつつ、被照射部材１６０の発光素子１５０近傍の領域に照射しているため、発光素子１５０の近傍に明部が発生することがない。また、本実施の形態に係る発光装置１２０は、発光素子１５０から出射した光を、被照射部材１６０の反対側の第１出射面１３３で集光しつつ、被照射部材１６０の発光素子１５０から遠方の領域に照射しているため、発光素子１５０から遠方の領域に暗部が発生することもない。よって、全体として、明部および暗部が生じることがないため、本実施の形態に係る発光装置１２０は、発光素子１５０の近傍から遠方まで高い均一性で被照射部材１６０を照らすことができる。

本発明に係る光束制御部材、発光装置および照明装置は、被照射部材に発光素子から出射された光を均一かつ効率的に照射することができる。本発明の発光装置および照明装置は、例えば、広告灯などとして有用である。

１００照明装置
１２０発光装置
１３０光束制御部材
１３１入射面
１３２反射面
１３３第１出射面
１３４第２出射面
１３５凹部
１３６天面
１３７側面
１３８フランジ
１３９内側第１出射部
１４０外側第１出射部
１４１内側第２出射部
１４２外側第２出射部
１４３出射面
１５０発光素子
１６０被照射部材
ＣＡ中心軸
ＬＡ光軸

Claims

発光素子から出射される光の光軸と、その中心軸とが一致するように配置され、前記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であって、
前記中心軸と交わるように前記発光素子側に配置された凹部の内面であり、前記発光素子から出射された光を入射させる入射面と、
前記中心軸を取り囲むように配置され、前記入射面で入射した光の一部を反射させる反射面と、
前記中心軸と交わるように前記入射面と反対側に配置され、前記入射面で入射した光の一部および前記入射面で入射し前記反射面で反射した光の一部を出射させる出射面と、
を有し、
前記入射面、前記反射面および前記出射面は、それぞれ、前記発光素子側に配置され、かつ前記中心軸と垂直に交わる直線を回転軸とした回転面の一部である中央領域と、前記中心軸および前記回転軸に垂直な方向において、前記中央領域の両端に接続して配置される端部領域とを有し、
前記出射面は、前記中心軸を含み、かつ前記回転軸に垂直な平面で２分された第１出射面および第２出射面を含み、
前記第１出射面を通り、かつ前記平面に平行な第１断面において、前記第１出射面の前記端部領域における接線と前記中心軸に平行な直線とのなす角度のうち小さい角度の平均角度は、前記第２出射面を通り、かつ前記平面に平行な第２断面において、第２出射面の前記端部領域における接線と前記中心軸に平行な直線とのなす角度のうち小さい角度の平均角度より小さい、
光束制御部材。
発光素子と、請求項１に記載の光束制御部材とを有する、発光装置。