JP6606832B2

JP6606832B2 - 照明器具

Info

Publication number: JP6606832B2
Application number: JP2015036974A
Authority: JP
Inventors: 健吾石井; 俊之米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Mitsubishi Electric Lighting Corp
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2035-02-26
Also published as: JP2016162486A

Description

本発明は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源とする照明器具に関する。

ＬＥＤは従来の光源に比べて発光部が小さく輝度が高いため、ＬＥＤ照明器具にはグレア（まぶしさ）に対する対策が求められる。グレア対策として、通常の視線の向きである水平方向に近い角度への出射光を遮る（遮光する）ことが行われており、水平から何度までを遮光しているかを一般に「遮光角」と呼んでいる。

上記のグレア対策の要求に対応して、従来技術のダウンライトのＬＥＤ照明器具においても遮光が行われている。まず、光源輝度を緩和するためにＬＥＤ光源を覆うように透光性を有する拡散カバーを設け、拡散カバーが所定の角度からは見えないように枠を形成している。

特許文献１には、反射板と枠により所望の遮光性能を得る照明器具が開示されている。しかし、特許文献１に示された照明器具は拡散カバーを用いていないため、遮光角の範囲を超えると光源が直接見えて眩しい。

特許第５１１１１６０号公報

近年、ＬＥＤの光束が増えたことや、ＣＯＢ（Chip on Board）パッケージの普及に伴い、比較的小さい埋込み穴径で大光束のダウンライトがあり、光源の輝度を緩和するため、拡散カバーを用いる方式が一般的である。そのため拡散カバー面でほぼランバーシアン配光に拡散した光の一部は枠にあたり、あたった光の光束が大きいことで枠の輝度が著しく増加してしまうという問題がある。また、枠で光が反射する際、ロスが生じて光束が低下するという問題もある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は小型で快適性の高い高効率な照明器具を提供するものである。

本発明に係る照明器具は、光源モジュールと、前記光源モジュールの出光面側に設けられ、前記光源モジュールに対向し、前記光源モジュールの出射光を屈折させて、拡散された光を得る屈折制御部を有するレンズと、水平方向に近い方向から前記レンズへの視線を遮る枠とを備え、前記光源モジュールの発光部の幅をＷｋ、前記光源モジュールから前記レンズの入射面までの距離をＨ、前記レンズの屈折率をｎ、光軸に対して直交する面を水平面、前記水平面と前記レンズの出射面の接線とが成す角度を傾斜角θα、前記出射面の任意の地点をＰ２、前記発光部の端部をＰ０、前記Ｐ０から前記光軸をまたいで進み前記Ｐ２に至る光路で前記レンズの前記入射面との交点をＰ１、前記Ｐ１と前記光軸の距離をＤｎ、前記Ｐ２から前記枠の最外径部と前記水平面となす角をθｇ、Ｗｗ＝Ｗｋ／２＋Ｄｎとして、前記傾斜角θαはθｇ＜９０−θα−ｓｉｎ ^−１（ｎ×ｓｉｎ×（ｓｉｎ ^−１（（ｓｉｎ（ｔａｎ ^−１（Ｗｗ／Ｈ）））／ｎ）−θα））を満たし、前記光源モジュールから出射された光のうち前記レンズに入射する前に前記光軸と交差した光は前記屈折制御部によって屈折された後に前記光軸とは再び交差せず、前記枠に到達しないように前記屈折制御部の厚みが前記光源モジュールの光軸から遠ざかるにつれ減少することを特徴とする。

本発明では、光源モジュールから出射された光が枠に到達しないようにレンズの屈折制御部の厚みが光源モジュールの光軸から遠ざかるにつれ減少する。このように光源モジュールを覆うレンズに枠にあたる光を抑制する指向性制御機能を持たせることにより、枠の輝度を下げることができる。従って、人が不快に感じるグレアを抑制することができ、小型で快適性の高い高効率な照明器具を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る照明器具を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る照明器具を示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。本発明の実施の形態１に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。本発明の実施の形態１に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。本発明の実施の形態１に係る照明器具の効果を説明するための配光分布図である。本発明の実施の形態１に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。比較例に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。本発明の実施の形態２に係る照明器具を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。本発明の実施の形態２に係る照明器具の変形例を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る照明器具を示す断面図である。本発明の実施の形態３に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。本発明の実施の形態３に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。

本発明の実施の形態に係る照明器具について図面を用いて詳細に説明する。以下の実施の形態の説明中で「上」、「下」、「左」、「右」「水平」といった用語を使用して方向を説明するが、これらの用語は実施の形態にかかる器具、及び部品等における相対的な配置関係及び相対的な方向を説明するための便宜上のものである。また、本発明は図面に記載した具体的な形状、構造等のみに限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る照明器具を示す斜視図である。図２は本発明の実施の形態１に係る照明器具を示す分解斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ´に沿った断面図である。

照明器具１００は、光源モジュールであるＬＥＤ１０と、表面に複数のＬＥＤ１０が並べて実装された基板２０と、基板２０の裏面に接続する筐体３０と、基板２０の外周部に配置されてレンズ５０を支持する反射板８０と、枠４０とを備える。なお、照明器具１００は電源、電源端子台、取付ばね（図示せず）なども備える。

図３に示す一点鎖線はＬＥＤ１０の光軸１１を表す。ＬＥＤ１０から光軸１１に沿って上側方向に光が出射される。光軸１１は図３の断面視における照明器具１００の中心軸に一致している。ＬＥＤ１０は、例えば合成光として白色光を得る発光素子であり、具体的には波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の青色光を発するＬＥＤチップと青色光を黄色光に波長変換する蛍光体を樹脂パッケージ内に配した素子である。基板２０は略円形の板状の基板であり、好ましくはガラスエポキシ製である。基板２０の上に複数のＬＥＤ１０が実装されている。基板２０の表面には光の反射率を高めるため、白色レジストが塗布されていることが好ましい。なお、基板２０にはダイオード、コネクタ等の素子（図示せず）も実装されている。

ＬＥＤ１０が実装された基板２０は筐体３０に反射板８０によりネジ締めで保持されている。筐体３０は、好ましくはダイキャスト法で製造されたアルミニウム製である。なお、筐体３０にはＬＥＤ１０を設けた面と反対の面にフィン形状が一体成形されており、ＬＥＤ１０の熱は主に筐体３０を介して放熱されている。レンズ５０は、ＬＥＤ１０の出射面側を覆うように配設されており、好ましくは透明のＰＭＭＡ材である。枠４０は、レンズ５０を反射板８０とサンドイッチするように筐体３０にねじ止めされている。枠４０は水平方向に近い方向からレンズ５０への視線を遮るために設けられている。反射板８０は、好ましくは９０％以上の反射率を有する白色のポリカーボネイト製である。

図３を参照しながらレンズ５０の断面形状について詳細に説明する。レンズ５０はＬＥＤ１０の出光面側に設けられ、光軸１１を中心とした回転称形状である。レンズ５０は、屈折制御部５１と、屈折制御部５１から連なる反射制御部５２とを有する。本実施の形態にかかるレンズ５０は屈折制御部５１と反射制御部５２が一個の連続的な物体を構成したものである。屈折制御部５１は、ＬＥＤ１０に対向し、光軸１１から離れるにつれ断面視で厚さが薄くなる。反射制御部５２は、屈折制御部５１よりも光軸１１から遠ざかる位置に設けられ、ＬＥＤ１０から出射された光を光軸１１に沿った方向に反射する。

図４及び図５は本発明の実施の形態１に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。まず、図４を参照しながら屈折制御部５１に到達した光について説明する。ＬＥＤ１０から出射された光はレンズ５０に到達する。レンズ５０の入射面のうち、屈折制御部５１に位置し、基板２０に平行な面を第一入射面５１ａとする。第一入射面５１ａに到達した光は屈折してレンズ５０内に入る。さらに第一入射面５１ａに対向する出射面５１ｂで屈折して出射する。

ここで、基板２０に実装された複数のＬＥＤ１０の発光部の最外幅をＷｋ、ＬＥＤ１０からレンズ５０の第一入射面５１ａまでの距離をＨ、レンズ５０の屈折率をｎと表記する。基板２０上の複数のＬＥＤ１０が設けられた幅Ｗｋの領域がモジュール発光部である。ＬＥＤ１０の光軸１１に対して直交する面を水平面とし、水平面と出射面５１ｂの接線とが成す角度を傾斜角θαとする。傾斜角θαは、光軸１１から離れるに従って大きくなるように設定しており、出射面５１ｂを曲面形状としている。

また、出射面５１ｂの任意の地点をＰ２とし、モジュール発光部の端部をＰ０とし、Ｐ０からレンズ５０の中心軸（光軸１１）をまたいで進みＰ２に至る光路でレンズ５０の第一入射面５１ａとの交点をＰ１とする。点Ｐ２と中心軸（光軸１１）の距離をＤｈ、点Ｐ１と中心軸（光軸１１）の距離をＤｎと表記する。枠４０の略すり鉢形状をした内面の最外径部をＰ３とする。

本実施の形態では、Ｐ２から枠４０の最外径部Ｐ３と水平面となす角をθｇとすると、角度θｇ以下になる光を抑制するために、傾斜角θαが下記に示す数式１を満たすようにしている。
θｇ＜９０−θα−ｓｉｎ^−１（ｎ×ｓｉｎ×（ｓｉｎ^−１（（ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（Ｗｗ／Ｈ）））／ｎ）−θα））・・・（数式１）
但し、Ｗｗ＝Ｗｋ／２＋Ｄｎである。

数式１を満たすことにより、照明器具１００の断面においてレンズ５０の屈折制御部５１から出射する光はθｇ度以上となる。よって、レンズ５０の屈折制御部５１から出射する光は、枠４０に入射することなく照明器具１００から出射され、所望の角度範囲のグレア光を抑制することができると共に枠の輝度を低く抑えることができる。

また、傾斜部θα＝０、即ち断面視で厚さが一定でもθｇを所望の角度にすることができる部分については均厚部を設けても良い。この均厚部はＬＥＤ１０の出光面側に屈折制御部５１に並べて設けられ、ＬＥＤ１０に対向し、厚さが一定である。また、外観意匠上相応しくない場合は光軸上でθα＝０になるように曲面で構成してもよい。

次に、図５を参照しながら反射部５２に到達した光について説明する。レンズ５０の入射面のうち、反射部５２に位置し、基板２０に垂直な面を第二入射面５２ａとする。第二入射面５２ａに到達した光は屈折してレンズ５０内部に入る。さらに第二入射面５２ａに対向する反射面５２ｂでほぼ光軸１１に平行な方向へ全反射し、出射面５２ｃから屈折して出射する。レンズ５０から出射された光はほぼ光軸１１に平行なため、枠４０にあたることなく、器具外に出射される。反射面５２ｂの角度は、所望の配光形状により、レンズ５０から出射された光が枠４０に入射しない範囲で調整してよい。

続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較しながら説明する。比較例ではレンズに厚さが一定な乳白拡散板を用いている。図６は本発明の実施の形態１に係る照明器具の効果を説明するための配光分布図である。光軸方向を０度としている。図中の破線は比較例に係る照明器具の配光分布である。図７は本発明の実施の形態１に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。図８は比較例に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。図６より本実施の形態では鉛直角６０度以上の光（つまり器具水平面から３０度以下の光）が抑制されていることが分かる。また、鉛直角６０度以上の光は主に屈折制御部５１により鉛直角４５〜６０度程度の光に変換されるため、光度がほぼ一定となる角度範囲が従来の照明器具より広がり、広い範囲で必要照度を得ることができる。また、枠４０で生じる反射ロスが無いため、光取り出し効率が上昇する。

以上説明したように、本実施の形態では、ＬＥＤ１０から出射された光が枠４０に到達しないようにレンズ５０の屈折制御部５１の厚みがＬＥＤ１０の光軸から遠ざかるにつれ減少する。このようにＬＥＤ１０を覆うレンズ５０に枠４０にあたる光を抑制する指向性制御機能を持たせることにより、枠４０の輝度を下げることができる。従って、人が不快に感じるグレアを抑制することができ、小型で快適性の高い高効率な照明器具を提供することができる。

実施の形態２．
図９は本発明の実施の形態２に係る照明器具を示す断面図である。実施の形態２に係る照明器具２００は、レンズ５０に代えてこれと形状の異なるレンズ１５０を有する点が実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明し、実施の形態１と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略した事項は実施の形態１と同様である。

レンズ１５０の断面形状について図９を参照しながら以下に説明する。光軸１１１は、断面視における照明器具２００の中心軸に一致している。レンズ１５０は、実施の形態１のレンズ５０と同様に、光軸１１１を中心とした回転称形状である。レンズ１５０は、光軸１１１から離れるにつれ断面視で厚さが薄くなる屈折制御部１５１と、屈折制御部１５１から連なる反射制御部１５２とを有する。屈折制御部１５１と反射制御部１５２の作用は実施の形態１の屈折制御部５１と反射制御部５２と同様であるので説明を省略する。また、反射制御部１５２の形状は実施の形態１の反射制御部５２と同じである。

図１０は本発明の実施の形態２に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。図１０に示す光路を参照しながらレンズ１５０について更に説明を行う。レンズ１５０の入射面のうち、屈折制御部１５１に位置し、基板２０に平行な面を第一入射面１５１ａとする。第一入射面１５１ａに到達した光は屈折してレンズ１５０内に入る。さらに第一入射面１５１ａに対向する出射面１５１ｂで屈折して出射する。

また、出射面１５１ｂの任意の地点をＰ２とし、モジュール発光部の端部をＰ０とし、Ｐ０からレンズ１５０の中心軸（光軸１１１）をまたいで進みレンズ１５０の第一入射面１５１ａとの交点をＰ１とする。点Ｐ２と中心軸（光軸１１１）の距離をＤｈ、点Ｐ１と中心軸（光軸１１１）の距離をＤｎと表記する。枠４０の略すり鉢形状をした内面の最外径部をＰ３とする。

本実施の形態では、Ｐ２から枠４０の最外径部Ｐ３と水平面となす角をθｇとすると、角度θｇを遮光角とし、出射面１５１ｂからの出射角をすべてθｇ以上とするように、傾斜角θαが下記に示す数式２を満たすようにしている。
θｇ＜９０−θα−ｓｉｎ^−１（ｎ×ｓｉｎ×（ｓｉｎ^−１（（ｓｉｎ（ｔａｎ^−１（Ｗｗ／Ｈ）））／ｎ）−θα））・・・（数式２）
但し、Ｗｗ＝Ｗｋ／２＋Ｄｎである。

数式２を満たすことにより、照明器具２００の断面においてレンズ１５０の屈折制御部１５１から出射する光はすべて遮光角θｇ度以上となる。よって、レンズ１５０の屈折制御部１５１から出射する光は、枠４０に入射することなく照明器具２００から出射され、所望の角度範囲のグレア光を抑制することができると共に枠４０の輝度を低く抑えることができる。また、実施の形態１のレンズ５０に比べてレンズ１５０の出射面１５１ｂの曲面が急勾配であるため、出射光を実施の形態１よりも更に光軸方向に向けることができる。

図１１は本発明の実施の形態２に係る照明器具の変形例を示す断面図である。この例では、枠４０の代わりに、枠４０より高さが低く設計された枠１４０を用いる。これにより、器具を薄型化することができる。また、レンズ５０に枠４０にあたる光を抑制する指向性制御機能を持たせているので、所望の角度のグレアを抑えることができる。

実施の形態３．
図１２は本発明の実施の形態３に係る照明器具を示す断面図である。実施の形態３に係る照明器具３００は、レンズ５０に代えてこれと形状の異なるレンズ２５０、枠４０に代えてこれと形状の異なる枠２４０を有する点が実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と異なる事項について主に説明し、実施の形態１と同じ構成要素には同一の符号を付し、説明を省略した事項は実施の形態１と同様である。

レンズ２５０の断面形状について図１２を参照しながら以下に説明する。光軸２１１は、断面視における照明器具３００の中心軸に一致している。レンズ２５０は、実施の形態１のレンズ５０と同様に、光軸２１１を中心とした回転称形状である。レンズ２５０は、光軸２１１から離れるにつれ断面視で厚さが薄くなる屈折制御部２５１と、屈折制御部２５１から連なる反射制御部２５２とを有する。屈折制御部２５１と反射制御部２５２の作用は実施の形態１の屈折制御部５１と反射制御部５２と同様であるので説明を省略する。また、反射制御部２５２の形状は実施の形態１の反射制御部５２と同じである。

図１３は本発明の実施の形態３に係る照明器具の効果を説明するための光路図である。図１３に示す光路を参照しながらレンズ２５０について更に説明を行う。実施の形態３では、ＬＥＤ１０から出射された光が入射される屈折制御部２５１の第一入射面２５１ａがＬＥＤ１０側に凸形状になっている。また、実施の形態１，２ではレンズ５０，１５０の表面の仕上げが鏡面であるが、実施の形態３ではレンズ２５０の屈折制御部２５１の出射面２５１ｂに拡散シボを設けている。

第一入射面２５１ａを凸形状にすることで、屈折制御部２５１からの出射光を更に光軸方向に向けることができる。また、光源光束に応じて拡散シボを調整することで、光源輝度を緩和できると共に、枠２４０の輝度を適切な範囲に調整することができる。なお、レンズ２５０の表面の拡散仕上げとして、拡散シボの代わりに、レンズ２５０の表面に酸化チタン等を拡散物質とするアクリル白色塗料を塗布して塗膜を形成してもよい。また、レンズ２５０の表面に周期的なプリズムを形成することにより拡散仕上げを施してもよい。さらに、レンズ２５０の表面に所定曲率を有する凹面又は凸面を形成することにより拡散仕上げを施してもよい。

図１４は本発明の実施の形態３に係る照明器具の枠部分の輝度分布を示す図である。枠２４０の輝度は設置条件により異なるが、概ね５０００ｃｄ／ｍ^２以下に抑えることが望ましい。ここでは、光源光束を３０００ｌｍに合わせて、出射面シボの分散度を４６程度に設定している。これにより枠２４０の輝度を５０００ｃｄ／ｍ^２程度にすることができる。

なお、実施の形態１〜３に係る照明器具１００，２００，３００は本発明に係る照明器具の一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更及び組み合わせが可能である。本実施の形態において発光素子としてＳＭＤ（表面実装型デバイス）タイプのＬＥＤを用いているが、ＣＯＢタイプのものを用いてもよい。具体的には、ＬＥＤ１０として、セラミック基板上に波長４４０ｎｍ〜４８０ｎｍ程度の青色光を発するＬＥＤチップを高密度で直接実装し、その上に青色光を黄色光に波長変換する蛍光体を混入したシリコーン樹脂を配したＣＯＢタイプのＬＥＤを用いてもよい。また、ＬＤ（Laser Diode）又は有機ＥＬ素子などを用いてもよい。また、基板、拡散板、レンズ、及び筐体等の材料は本実施の形態において好ましい形態として記載したものに限定されず、上述した光学的機能を有するものであれば適宜に変更してもよい。

１００，２００，３００照明器具、１０ＬＥＤ、１１，１１１，２１１光軸、２０基板、３０筐体、４０，１４０，２４０枠、５０，１５０，２５０レンズ、５１，１５１，２５１屈折制御部、５１ａ，１５１ａ，２５１ａ第一入射面、５１ｂ，１５１ｂ，２５１ｂ出射面、５２，１５２，２５２反射制御部、５２ａ，１５２ａ，２５２ａ第二入射面、５２ｂ，１５２ｂ，２５２ｂ反射面

Claims

光源モジュールと、
前記光源モジュールの出光面側に設けられ、前記光源モジュールに対向し、前記光源モジュールの出射光を屈折させて、拡散された光を得る屈折制御部を有するレンズと、
水平方向に近い方向から前記レンズへの視線を遮る枠とを備え、
前記光源モジュールの発光部の幅をＷｋ、前記光源モジュールから前記レンズの入射面までの距離をＨ、前記レンズの屈折率をｎ、光軸に対して直交する面を水平面、前記水平面と前記レンズの出射面の接線とが成す角度を傾斜角θα、前記出射面の任意の地点をＰ２、前記発光部の端部をＰ０、前記Ｐ０から前記光軸をまたいで進み前記Ｐ２に至る光路で前記レンズの前記入射面との交点をＰ１、前記Ｐ１と前記光軸の距離をＤｎ、前記Ｐ２から前記枠の最外径部と前記水平面となす角をθｇ、Ｗｗ＝Ｗｋ／２＋Ｄｎとして、前記傾斜角θαはθｇ＜９０−θα−ｓｉｎ ^−１（ｎ×ｓｉｎ×（ｓｉｎ ^−１（（ｓｉｎ（ｔａｎ ^−１（Ｗｗ／Ｈ）））／ｎ）−θα））を満たし、
前記光源モジュールから出射された光のうち前記レンズに入射する前に前記光軸と交差した光は前記屈折制御部によって屈折された後に前記光軸とは再び交差せず、前記枠に到達しないように前記屈折制御部の厚みが前記光源モジュールの光軸から遠ざかるにつれ減少することを特徴とする照明器具。
前記レンズは、前記光源モジュールの出光面側に前記屈折制御部に並べて設けられ、前記光源モジュールに対向し、厚さが一定な均厚部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
前記レンズは、前記屈折制御部よりも前記光軸から遠ざかる位置に設けられ、前記光源モジュールから出射された光を前記光軸に沿った方向に反射する反射制御部を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明器具。
前記光源モジュールから出射された光が入射される前記屈折制御部の入射面が前記光源モジュール側に凸形状になっていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の照明器具。
前記レンズの表面の仕上げが鏡面であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の照明器具。
前記レンズの表面に拡散仕上げが施されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の照明器具。