JP6601798B2

JP6601798B2 - 照明器具

Info

Publication number: JP6601798B2
Application number: JP2015227783A
Authority: JP
Inventors: 浩暁岩崎
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: JP2017098028A

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とし、主として競技場に用いられる照明器具に関する。

従来、大型競技施設向けの高出力タイプの照明器具の光源には、一般的に高輝度放電灯が用いられてきた。高輝度放電灯は、アーク放電方式により発光する。このアーク方式による発光は、発光部の面積を理想的に小さくすることができるので、反射板を用いた配光制御が容易であり、狭い配光を実現することで、競技エリアを効率良く照明することができる。

近年では、大型競技施設向けの高出力タイプの照明器具の光源として、ＬＥＤが用いられている。ＬＥＤは、低電力で高輝度の発光が可能であり、しかも長寿命であることから、白熱灯や蛍光灯に代わる光源として普及が進んでいる。この種のＬＥＤを光源とする照明器具として、矩形平板状のベースの一面にマトリクス状に配置された複数の光源ユニットを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１２９８５９号公報

しかしながら、ＬＥＤは、高輝度放電灯と比べて、発光部の面積を小さくすることが構造的に難しい。そのため、上記特許文献１で開示されたようなＬＥＤを光源とする照明器具では、反射板を用いた配光制御が容易でなく、配光を狭くすることができなかった。その結果、ＬＥＤを光源とする照明器具を大型競技施設で用いた場合、配光を理想的に絞りきれず、高輝度放電灯である場合に比べて、競技者が照明器具の眩しさを感じることがあった。例えば、視対象が光源の近くを通るときに、競技者が視対象物を見失ってしまうという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するものであって、ＬＥＤを光源とし、主として競技場に用いられたときに、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保することができ、且つ競技者が眩しさを感じ難い照明器具を提供することを目的とする。

本発明は、ＬＥＤ光源を備え、前記ＬＥＤ光源からの光が出射する発光面を有する照明器具であって、出射光が最大光度となる方向を光軸とし、該光軸と成す角度を鉛直角とし、前記発光面から出射される光の全光束が５０，０００ｌｍ以上であるとき、全光束に対する、鉛直角５°の範囲内の光束の比率が、１５〜２５％の範囲内であり、全光束に対する、鉛直角１０°の範囲内の光束の比率が、５０〜６０％の範囲内であり、全光束に対する、鉛直角１５°の範囲内の光束の比率が、６５〜８０％の範囲内であり、鉛直角１５°を超える方向から見た際の前記発光面の輝度が、８００，０００ｃｄ／ｍ^２以下であることを特徴とする。

本発明によれば、鉛直角１５°の範囲内において、鉛直角毎に光束の比率を変化させることで、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保することができる。また、照明率への寄与が相対的に小さい、鉛直角１５°を超える方向から見た際の発光面の輝度を、約８００，０００ｃｄ／ｍ^２以下に抑えることで、競技者に眩しさを感じ難くすることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る照明器具を発光面側から見た斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図。（ａ）は上記照明器具のＬＥＤ光源と光学部材の構成を示す部分切断斜視図、（ｂ）は断面図。照明器具の全光束に対する、所定の鉛直角内の光束の比率と、競技エリアの照明率との関係を示す図。照明器具の鉛直角条件の全光束に対する鉛直角内の光束の比率と、競技エリア照明率との相関係数を示す。視対象が消失しないための輝度の制限値を導出するための制限輝度実験の環境を示す図。図５に示した制限輝度実験に基づいて導出された、視対象物を見失わないための輝度の制限値を示す図。上記実施形態で規定した要件を満たさない比較例及び実施例の配光を、規定項目別に分類した図。上記比較例及び実施例における鉛直角毎の発光面の輝度を示す図。

本発明の一実施形態に係る照明器具について図１乃至図８を参照して説明する。以下の実施形態において、本照明器具は、陸上競技場やサッカー場、野球場といった大型競技施設で用いられる高出力タイプの投光器であるものとして説明する。

図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、照明器具１は、ＬＥＤ光源２を内蔵した器具本体３と、器具本体３を保護するガード４と、光を出射する前面パネル５と、を備える。前面パネル５は、ＬＥＤ光源２が出射した光を出射することで、この出射面が照明器具１の発光面２Ａとなる。器具本体３は、ＬＥＤ光源２と、ＬＥＤ光源２から出射された光の配光を制御する光学部材６と、を有する。また、器具本体３は、発光面２Ａとは反対側の面に設けられた放熱部（アルミダイカスト）を有し、ＬＥＤ光源２の発光に伴って生じた熱を外部に放熱する。

本実施形態では、照明器具１として、器具本体３が、高さ方向Ｈよりも幅方向Ｗに長く、２つの器具本体３が所定の隙間を開けて上下に配され、それらが、ガード４により保持された構成を示す。なお、照明器具１は、発光面２Ａの法線方向において、出射光が最大光度となる。以下、この出射光が最大光度となる方向を光軸Ｌとする。また、照明器具１が、幅方向Ｗが水平となるように配置されたとき、光軸Ｌは水平方向となり、光軸Ｌと成す角度を鉛直角θとする。この鉛直角θは、照明器具１のビーム開き角の１／２に相当する。

また、照明器具１は、ガード４の幅方向Ｗにおける両端部を介してガード４を軸支するアーム４１と、照明器具１の光出射方向を調節するためのハンドル４２と、ＬＥＤ光源２に給電するための電源ユニット７と、を更に備える。アーム４１は、ガード４の両端部を結ぶ線を回動軸Ａｘ（図１（ｂ）参照）として、ガード４が回動可能となるようにガード４を支持している。そして、ハンドル４２を操作することで、回動軸Ａｘを中心として、ガード４及び器具本体３を所定の向きに回動させることができる。電源ユニット７は、各器具本体３の隙間を塞ぐように配置され、各々のＬＥＤ光源２とケーブル（不図示）を介して電気的に接続されている。電源ユニット７は、商用電源（不図示）に接続され、その商用電源からＬＥＤ光源２への給電を制御する点灯回路（不図示）を内蔵している。

前面パネル５は、ポリカードネート等の透光性樹脂から形成され、光学部材６を保護し、光学部材６から出射された光を透過して出射する。図例では、各器具本体３に個別に前面パネル５が設けられた構成を示すが、両器具本体３の発光面２Ａを一括して覆う構成であってもよい。

図２（ａ）に示すように、ＬＥＤ光源２は、複数のＬＥＤ２１と、発光面２Ａ側に設けられ複数のＬＥＤ２１が実装される基板２２と、を有する。複数のＬＥＤ２１が、所定間隔で、例えば、ハニカム状に配置され（図１（ａ）参照）、１つの器具本体３あたりでは、高さ方向Ｈよりも幅方向Ｗの方がＬＥＤチップの個数が多くなるように配置されている。ＬＥＤ２１は、例えば、青色光を出射する青色ＬＥＤチップと、この青色ＬＥＤチップを封止する封止材と、この封止材中に分散され青色光を黄色光に変換する蛍光体と、を有し、青色光と黄色光とを互いに混色させることで白色光を出射する。

光学部材６は、複数のＬＥＤ２１に夫々対応する位置に設けられた第１部材６Ａと、各第１部材６Ａを連結する第２部材６Ｂと、を有する。光学部材６は、ＬＥＤ２１から出射された白色光を透過させる透光性材料、例えば、透明アクリル樹脂、又は透明ガラス等により構成される。

第１部材６Ａは、基本的にはハイブリッドレンズが用いられ、基板２２の法線（光軸Ｌ）を軸とした大底面６１と小底面６２とを有する回転体の外郭面６３を成して、小底面６２に設けられた凹面６４がＬＥＤ２１から出射される光の入射面となり、この光を屈折させて所定方向へ放射させる。第１部材６Ａは、基板２２に対して、近接又はその上部に搭載されるように設置され、基板２２上に固定されている複数のＬＥＤ２１の各々を凹面６４が覆うように設置される。

大底面６１の形状は、図２（ｂ）では平面を示しているが、凸面等であってもよく、後述する配光を実現するために決定される。また、大底面６１には、照射面における照射ムラを回避するため、拡散処理（例えば、サンドブラスト処理等）が施されていてもよい。小底面６２のうち、凹面６４は、ＬＥＤ２１に対面する入射前面６５と、基板２２に対して立設された入射円錐面６６と、を有する。入射前面６５は、ＬＥＤ２１から放射された光を、直接的に大底面６１へ導く。また、入射前面６５の形状は、平面、又は凹面等であり、大底面６１と同様に、後述する配光を実現するために決定される。入射円錐面６６は、ＬＥＤ２１から放射された光を、屈折により全反射させた後に大底面６１へ導く。ＬＥＤ２１から放射され、入射前面６５又は入射円錐面６６から第１部材６Ａ内に入射して大底面６１へ導かれる光を図２（ｂ）の実線矢印Ｌ１及び点線矢印Ｌ２に示している。

第２部材６Ｂは、複数の第１部材６Ａの各々を架橋して連結させるものであり、基板２２上に所定間隔で配列された複数のＬＥＤ２１の配置に合わせて、それらの上方に、第１部材６Ａが近接又は搭載させられるように、その位置を決定し、支持する。第２部材６Ｂは、第１部材６Ａの大底面６１の外周辺の内方から、レンズ中心より外方へ延出するように形成されている。また、第２部材６Ｂは、凹部６７を有し、凹部６７の大底面６１へ臨む内周面６８が、円錐面形状となっている。内周面６８は、ＬＥＤ２１の中心から照射され、第２部材６Ｂの内周面６８と大底面６１との稜線６９を通過する光と略平行となるよう形成されていることが好ましい。

図３は、出射光が最大光度となる方向を光軸とし、該光軸と成す角度を鉛直角θ（図１（ａ）参照）としたとき、全光束に対する、所定の鉛直角θ内の光束の比率を、照明器具配光から計算し、競技エリアの照明率と対比した配光試験の結果を示す。なお、照明率は、照明器具１内の全ＬＥＤ光源２から出射される光束のうち、被照面に達する光束の割合を言う。この配光試験は、サッカー場、及びトラックとフィールドを含む陸上競技場において、鉛直角５°，１０°，１５°，２０°，２５°における各光束の比率が計算された。

この配光試験から、競技エリアの照明率と、照明器具配光から計算される全光束に対する、鉛直角内の光束の比率には、一定の相関関係があり、照明率を高くするには、いずれの鉛直角θにおいても、鉛直角内の光束の比率を高くする必要があることが示された。なお、サッカー場は、陸上競技場に比べて、競技エリアが狭いので、照明率が低くなる傾向がある。

図４は、照明器具１の配光から計算される鉛直角条件別の全光束に対する鉛直角θ内の光束の比率と、競技エリア照明率との相関係数を示す。同図から、競技エリアの照明率と、照明器具配光から計算される全光束に対する鉛直角内の光束の比率の相関係数Ｒは、鉛直角１５°にピークがあることが示される。すなわち、鉛直角１５°（ビームの開き角３０°）までの光束を高めることが、競技エリアに必要とされる照度を確保する上で、最も重要であることが分かる。従って、鉛直角１５°内の光度を下げると、必要な照度を確保することが困難になる。

また、下記表１は、上記相関係数Ｒを鉛直角毎に列記したものである。

例えば、サッカー場では、鉛直角１５°で、相関係数Ｒが０．９７と、最大値になった。また、陸上競技場でも、鉛直角１５°で、相関係数Ｒが０．８８と、最大値になった。これらの結果から、鉛直角１５°の範囲内では、競技エリアに必要とされる照度を確保するために、積極的には光度を下げず、その一方で、鉛直角１５°を超える範囲では、照明率への寄与が減少するので、輝度に制限を設けることが好ましいことが示された。

また、図３に示した結果より、鉛直角１５°の範囲内では、競技エリアに必要とされる照度を確保するには、発光面２Ａから出射される光の全光束が５０，０００ｌｍ以上であるとき、全光束に対する、鉛直角５°の範囲内の光束の比率が、１５〜２５％の範囲内であり、全光束に対する、鉛直角１０°の範囲内の光束の比率が、５０〜６０％の範囲内であり、全光束に対する、鉛直角１５°の範囲内の光束の比率が、６５〜８０％の範囲内であることが好ましい。このように、鉛直角１５°の範囲内においても、鉛直角毎に光束の比率を変化させることで、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保することができる。

図５は、視対象が消失しないための輝度の制限値を導出するための制限輝度実験の環境を示す。なお、照明器具の残像が生じると、視対象物が消失する輝度の制限値を設けることができない。そこで、この制限輝度実験では、残像の影響を取り除くために、２°ほど視野を外した上で最も直視の条件に近い視野角３°の位置に、光源１１を設置し、視対象物１２が消失しないための光源輝度の制限値を導出した。

背景輝度１３は、夜間を想定して０．５ｃｄ／ｍ^２とした。また、光源１１の前方に、Φ５０及びΦ２００の穴が開いた光源制限板１４を設け、光源１１の発光面の大きさが異なる２条件で実験を行った。周囲環境の照度は、公式競技が開催できるレベルを想定して、５００〜６００ｌｘとなるよう、照度計１５により測定した。また、視対象物１２は、ボールを想定して、反射率８５％の球体とした。以上の条件において、被験者１６が、視距離１３ｍで、視対象物１２を見た際に、ライトコントローラ１７で光源１１の輝度レベルを調節しながら、視対象物１２を見失う瞬間の輝度を記録した。被験者１４名の評価に基づき、各個々人が評価した視対象物１２を見失う輝度値の平均値を、輝度の制限値とした。

図６は、上記の制限輝度実験に基づいて導出された、視対象物１２を見失わないようにするための、輝度の制限値を示す。なお、同図では、上記２条件の光源１１のサイズから夫々光源立体角（ｓｔｒ）を算出し、各光源立体角の輝度の制限値をプロットすると共に、輝度の制限値をグラフ化した。同図から、光源１１の輝度が高くなるほど、また、光源立体角が大きくなる（光源１１のサイズが大きくなる）ほど、被験者１６は視対象物１２を見失い易くなることが示される。

大型競技施設を想定した場合、安全を考慮して光源との視距離が５０ｍ近く接近する状況から光源立体角を試算すると、０．０００１１４ｓｔｒとなる。この立体角条件を、上記輝度の制限値のグラフに当てはめると、視対象物１２が消失しないための輝度の制限値は、約８００，０００ｃｄ／ｍ^２となる。上記の通り、鉛直角０〜１５°までの光度は、照明率への寄与が大きいことから、一定の値を確保する必要がある。その一方で、照明率への寄与が相対的に小さい、鉛直角１５°を超える方向から見た際の発光面２Ａの輝度を、約８００，０００ｃｄ／ｍ^２以下に抑えることで、競技者に眩しさを感じ難くすることができる。これにより、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保しながらも、競技者が眩しさを感じ難くすることができる。

また、照明器具１では、発光面２Ａから出射される光の最大光度は、６，５００〜２０，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲であることが好ましい。この範囲とすることで、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保しながらも、競技者が過度に眩しさを感じることを抑制することができる。

また、照明器具１では、鉛直角０°〜５°にかけての光度の落差が、０〜２，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であり、鉛直角５〜１０°にかけての光度の落差が、３，０００〜５，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であり、鉛直角１０°〜１５°にかけての光度の落差が、２，０００〜４，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であることが望ましい。すなわち、発光面２Ａの真正面である鉛直角０°の光度を下げ、鉛直角０°〜５°にかけての光度の落差を小さくすることで、競技者がグレアを感じることを抑制することができる（後述する図８も参照）。

また、照明率への寄与が大きい鉛直角０°〜５°では、照度確保に優位性を持たせるために、光度の落差を小さくして、その範囲全体での光度を高める。一方、鉛直角５〜１０°、及び鉛直角５〜１０°の範囲で、段階的に光度を下げることで、鉛直角１５°における発光面２Ａの輝度を、上記の８００，０００ｃｄ／ｍ^２以下まで低下させる。これにより、競技エリアに必要とされる照度を効果的に確保しながらも、競技者が眩しさを感じ難くする配光バランスを得ることができる。

図７は、本実施形態で規定した要件を満たさない比較例１〜３（照明器具Ａ〜Ｃ）の配光と、実施形態で規定した要件を満たす実施例１、２（照明器具Ｄ、Ｅ）の配光を、規定項目別に分類した表である。また、図８は、これら比較例１〜３及び実施例１、２における鉛直角θ毎の発光面２Ａの輝度を示す。

図７及び図８から明らかなように、比較例の配光については、鉛直角１５°における輝度が８００，０００ｃｄ／ｍ^２を超えており、競技者が視対象物を見失うグレアを発生させ易い。一方、実施例の配光については、鉛直角１５°以上の方向から見た際の輝度が、８００，０００ｃｄ／ｍ^２を下回っており、競技者が視対象物を見失うグレアの発生を抑制することができる。

また、図８に示すように、実施例１、２では、鉛直角１５°を超える範囲の輝度が、比較例１，２に比べて、低く維持されている。すなわち、照明率への寄与が少ない鉛直角１５°を超える範囲の輝度を抑制することで、競技エリアの照度を効率的に高くすることができる。

なお、本発明に係る照明器具は、上記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、光学部材６として、複数のＬＥＤ２１に夫々対応する単レンズである第１部材６Ａが複数設けられた構成を示したが、一の光学部材６が複数のＬＥＤ２１に対して設けられてもよい。この場合、例えば、照明器具１の幅方向Ｗに沿って列状に配された一列のＬＥＤ２１を、一つの光学部材６が設けられてもよい。この場合、上述した凹面６４と外郭面６３は、列状のＬＥＤ２１に沿って直線的に設けられ、照明器具１の高さ方向Ｈの配光を制御することができる。また、大底面６１の形状を適宜に制御することで、照明器具１の幅方向Ｗの配光も制御することができる。また、上述した配光を光学部材６により得ることを想定しているが、複数のＬＥＤ２１の配置や発光強度、光軸の向き等を制御することで、上述した配光を実現してもよい。また、上記実施形態の照明器具１は、大型競技施設用の投光器を想定しているが、グレア対策が必要とされる道路照明や空港照明等にも用いられ得る。

１照明器具
２ＬＥＤ光源
２Ａ発光面
Ｌ光軸
θ 鉛直角

Claims

ＬＥＤ光源を備え、前記ＬＥＤ光源からの光が出射する発光面を有する照明器具であって、
出射光が最大光度となる方向を光軸とし、該光軸と成す角度を鉛直角とし、前記発光面から出射される光の全光束が５０，０００ｌｍ以上であるとき、
全光束に対する、鉛直角５°の範囲内の光束の比率が、１５〜２５％の範囲内であり、
全光束に対する、鉛直角１０°の範囲内の光束の比率が、５０〜６０％の範囲内であり、
全光束に対する、鉛直角１５°の範囲内の光束の比率が、６５〜８０％の範囲内であり、
鉛直角１５°を超える方向から見た際の前記発光面の輝度が、８００，０００ｃｄ／ｍ^２以下であることを特徴とする照明器具。
前記最大光度が、６，５００〜２０，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
鉛直角０°〜５°にかけての光度の落差が、０〜２，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であり、
鉛直角５〜１０°にかけての光度の落差が、３，０００〜５，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であり、
鉛直角１０°〜１５°にかけての光度の落差が、２，０００〜４，０００ｃｄ／ｋｌｍの範囲内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明器具。