JP7004148B2 - 光学アッセンブリ、ランプ装置および照明装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、導光体を用いた光学アッセンブリ、この光学アッセンブリを用いたランプ装置、およびこのランプ装置を用いた照明装置に関する。

従来、発光素子を含む発光源を用いたランプ装置では、光の広がり方および光り方を白熱電球に近付けるために、光学アッセンブリを用いたものが知られている。

この光学アッセンブリでは、導光体を用い、この導光体の基端側に発光源から光が入射する入射面を設け、導光体の先端側に光拡散部を設けている。そして、発光源から導光体に入射した光は、導光体内を先端側に導光され、導光体の先端側から拡散放出される。

このような光学アッセンブリでは、導光体の先端部と光拡散部との関係が適切でないと、広く均一な配光特性が得られない。

特開２０１４－２４１２２７号公報

本発明が解決しようとする課題は、広く均一な配光特性が得られる光学アッセンブリ、ランプ装置および照明装置を提供することである。

実施形態の光学アッセンブリは、導光体および光拡散部を備える。導光体は、円柱状の導光柱、導光柱の基端側の端面に設けられ発光源から光を入射する入射面、および導光柱の先端側の外周面に設けられ導光柱の先端側へ向けて縮径する放物面を有する。光拡散部は、前記導光体の先端側の中心部に前記導光体の中心軸と中心軸が一致するように設けられた円筒部と、前記円筒部の底面であって前記入射面に対向する側に設けられる半球部と、を有する。導光体の先端側の端面の半径に対する光拡散部の円筒部の半径の比率をｃ、導光体の屈折率をｎとすると、ｃ≧０．２１２８×ｎ＋０．５６８１６１９２の関係にある。

本発明によれば、広く均一な配光特性を得ることが期待できる。

第１の実施形態を示す光学アッセンブリの断面図である。 同上光学アッセンブリの側面図である。 同上光学アッセンブリの導光体が有する放物面の説明図である。 同上光学アッセンブリの比率ｃとビーム角との関係を示すグラフである。 同上光学アッセンブリのビーム角３００°となる比率ｃと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。 同上光学アッセンブリの比率ｄとビーム角との関係を示すグラフである。 同上光学アッセンブリの臨界点の比率ｄと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。 同上光学アッセンブリのビーム角３００°となる比率ｄと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。 第２の実施形態を示す光学アッセンブリを用いたランプ装置の断面図である。 同上ランプ装置を用いた照明装置の概略正面図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図８を参照して説明する。

図１および図２に光学アッセンブリ10を示す。光学アッセンブリ10は、発光源11、導光体12、光拡散部13および遮光体14を備えている。

発光源11は、光を出射する平面状の発光面11aを有している。発光源11は、発光素子としてのＬＥＤを用いたＳＭＤ(Surface Mount Device)パッケージやＣＯＢ（Chip On Board）モジュール等で構成されている。なお、発光源11にはＬＥＤ以外の例えば有機ＥＬ等を用いてもよい。

また、導光体12は、光透過性のよい透明な材料によって形成されている。その材料としては、例えば、ポリカーボネート、ガラス、アクリル、およびシリコーン等が一例としてある。

導光体12は、円柱状の導光柱17を備えている。導光柱17の中心軸ｚは、発光源11の光軸と一致するように配置されている。導光柱17の軸方向の一端側である基端側の端面には、発光源11からの光を入射する入射面18が設けられている。

導光柱17の先端側の外周面には、導光柱17の先端側へ向けて徐々に縮径するように放物面20が形成されている。図３に示すように、放物面20は、焦点ｆが中心軸ｚを中心として反対側の放物面20の先端側に有している。そして、放物面20は、導光柱17内を導光されて放物面20に入射する角度がθ以下の光を焦点ｆへ向けて全反射するように構成されている。なお、放物面20は、軸方向に複数の放物面が連続して形成される複合放物面でもよい。

導光柱17の先端側の中心部に、光拡散部13が軸方向に沿って設けられている。したがって、導光柱17の先端側の軸中心部には、光拡散部13が設けられる凹部21を有している。凹部21の形状は、光拡散部13の形状に対応している。

導光柱17の先端側の端面には、放物面20と光拡散部13（凹部21）との間に環状の先端面22が設けられている。

また、光拡散部13は、光を拡散反射させる光拡散反射材料によって形成されている。光拡散部13は、所定の固体形状に形成され、導光体12の成形時にインサート成形によって導光体12と一体化されている。あるいは、凹部21を有する導光体12を形成した後、凹部21の内面に光拡散反射材料を塗布したり充填することによって形成してもよい。

導光体12に接する光拡散部13の表面には、導光柱17の先端側に位置する円筒面部25、およびこの円筒面部25の底であって入射面18側に対向する半球面状の対向面部26を有している。そして、導光体12に接する光拡散部13の表面が、光を拡散反射させる光拡散反射面27として構成されている。

光拡散部13の中心軸は導光柱17の中心軸ｚと一致するように配置されている。さらに、光拡散部13は導光柱17の軸方向に沿って配置され、光拡散部13の周面である円筒面部25が放物面20に対向されている。

また、遮光体14は、導光体12の基端側を覆い、発光源11の光が外部に漏れるのを防止する。遮光体14は、導光体12を支持する筐体でもある。遮光体14は、導光体12が挿通される挿通孔30を有する円板状のカバー部31、およびこのカバー部31の周辺部に設けられた周壁部32を備えている。

遮光体14の開口端には、発光源11が配設されたベース部33が取り付けられている。

そして、このように構成された光源アッセンブリ10において、発光源11に点灯電源が供給されると、発光源11が発光する。

発光源11が発する光は、入射面18から導光柱17内に入射し、導光柱17内を先端側へ向けて導光される。

導光柱17内を先端側へ向けて導光される光のうち、光拡散部13の対向面部26に入射する光は、その対向面部26（光拡散反射面27）で拡散反射され、導光体12の外部へ出射される。

導光柱17内を先端側へ向けて導光される光のうち、光拡散部13と導光柱17の放物面20との間へ向かう光は、放物面20に入射するか、光拡散部13の円筒面部25に入射し、導光体12の先端面22から出射する。

放物面20に角度θ以下で入射する光は、その放物面20で焦点ｆへ向けて全反射され、光拡散部13の円筒面部25に入射する。

光拡散部13の円筒面部25に入射する光は、円筒面部25（光拡散反射面27）で拡散反射される。拡散反射された光は、放物面20や先端面22に入射し、その入射する角度に応じて透過したり反射される。

したがって、発光源11から導光体12に入射した光のうちの大部分の光が、光拡散部13で拡散反射されて導光体12の先端側から広い配光範囲に出射される。

そして、このような光学アッセンブリ10において、例えば白熱クリア電球が点灯していようなきらめき感を得るためには、中心軸ｚに沿った光拡散部13の断面積Ｓは、例えば白熱クリア電球の発光部と同等以下である小形・高輝度の条件を満たす必要がある。

光拡散部13の断面積Ｓは、光拡散部13の径をｒ、光拡散部13の円筒面部25の軸方向長さをｌ、光拡散部13の対向面部26の半径をｒとすると、
Ｓ＝２×ｒ×ｌ＋π×ｒ²÷２
の式で表される。

さらに、導光体12の屈折率をｎ、導光体12の先端側の端面の半径、すなわち中心軸ｚから放物面20の先端までの距離である先端面22の半径をａ、放物面20の軸方向の長さをｂ、放物面20に入射する最大許容角（放物面20で全反射する最大入射角度）をθとすると、
ｂ＝ａ（１＋sinθ）／sinθtanθ
θ＝sin^-1(1/n)
の式の関係がある。

さらに、導光体12の先端面22の半径ａに対する光拡散部13の円筒面部25の半径ｒの比率（ｒ／ａ）をｃとし、導光体12の放物面20の軸方向の長さｂに対する光拡散部13の軸方向の長さ（円筒面部25の軸方向の長さｌ＋対向面部26の半径ｒ）の比率（（ｌ＋ｒ）／ｂ）をｄとすると、
ｒ＝ａ×ｃ
ｌ＋ｒ＝ｂ×ｄ
の式の関係がある。

これらの式を断面積Ｓの式にあてはめると、
Ｓ＝２×ａ×ｃ×（ｂ×ｄ－ａ×ｃ）＋π×（ａ×ｃ）²÷２
と表される。

そして、光拡散部13の断面積Ｓは、例えば白熱クリア電球の発光部と同等以下である小形・高輝度の条件を満たそうとすると、
Ｓ≦１６．９mm²
とする必要がある。

また、このような光学アッセンブリ10において、広く均一な配光特性を再現するためには、導光体12の放物面20および先端面22と光拡散部13との適切な関係を規定する必要があり、さらに、導光体12の材料の屈折率ｎによって放物面20に入射する角度θが変わることから、導光体12の材料の屈折率ｎについても考慮する必要がある。

すなわち、広く均一な配光特性を再現するためには、比率ｃおよびｄは屈折率ｎとの関係性を考慮して規定する必要がある。

まず、比率ｃについて説明する。

図４は比率ｃとビーム角との関係を示すグラフである。図４では、導光体12の材料の屈折率ｎ毎に、比率ｃの変化に対するビーム角の変化を示すものである。ビーム角は、導光体12の中心軸ｚに沿った光軸を中心とした範囲の角度を示すもので、平面極座標上の光度分布の相対値が最大光度に対して５０％をとる２方向のなす角度である。

図４から分かるように、比率ｃが大きくなるほどビーム角が大きくなる傾向が示された。これは、導光体12の先端面22からの光の出射が抑制され、導光体12の先端側から広い範囲へ向けて光が出射されるようになったことによる。

さらに、ビーム角が３００°付近よりも下側となる比率ｃの領域では、屈折率ｎの違いによってビーム角にばらつきが生じたが、ビーム角が３００°付近から上側となる比率ｃの領域では、屈折率ｎの違いにかかわらずビーム角に相関性があることが示された。

ビーム角については、広い配光を再現するには３００°程度、好ましくは３００°以上あることが望ましい。このビーム角３００°は、導光体12の中心軸ｚに沿った光軸を中心として両側に１５０°ずつで、合計３００°の範囲となる。

図５はビーム角３００°となる比率ｃと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。図５に示す各解析値は、導光体12の各材質の屈折率ｎでビーム角３００°となる比率ｃの位置を示す。線形（解析値）は、解析値を結ぶ比率ｃの平均値の線である。

図５から分かるように、ビーム角３００°となる比率ｃと屈折率ｎとには相関性があることが示された。

そして、ビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現する比率ｃの条件は、
ｃ≧０．２１２８×ｎ＋０．５６８１６１９２
の式で表される。

このｃの式は、各屈折率ｎでビーム角３００°となる境界線の値で引いた線であって、図５の線形（解析値）の線と平行で屈折率１．４９が含まれるように補正した補正値の線である。

次に、比率ｄについて説明する。

図６は比率ｄとビーム角との関係を示すグラフである。図６は、導光体12の材料の屈折率ｎ毎に、比率ｄの変化に対するビーム角の変化を示すものである。

図６から分かるように、比率ｄが大きくなるほどビーム角が大きくなる傾向が示された。さらに、屈折率ｎが１．５２以下の場合には、比率ｄの変化に対してビーム角が大きく変化する状態から穏やかに変化する状態に切り換わるように、比率ｄの変化に対するビーム角の変化率が急激に変化する臨界点があることが示された。

図７は臨界点の比率ｄと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。図７に示す各解析値は、導光体12の各材質の屈折率ｎで臨界点の比率ｄの位置を示す。線形（解析値）は、解析値を結ぶ比率ｄの平均値の線である。

図７から分かるように、臨界点の比率ｄと屈折率ｎとには相関性があることが示された。

そして、広く均一な配光特性を再現する比率ｄの条件は、
ｄ≧－２．１９１１×ｎ＋４．０７０９
の式の式で表される。なお、ｎ≦１．５２である。

このｄの式は、図７の線形（解析値）の線である。

なお、ｎ＞１．５２の場合は、比率ｄに臨界条件を持たないが、広く均一な配光特性を再現するには、ｄ≧０．７にすることが好ましい。

また、ビーム角が３００°付近よりも下側となる比率ｄの領域では、屈折率ｎの違いによってビーム角にばらつきが生じたが、ビーム角が３００°付近から上側となる比率ｄの領域では、屈折率ｎの違いにかかわらずビーム角に相関性があることが示された。

図８はビーム角３００°となる比率ｄと屈折率ｎとの関係を示すグラフである。図８に示す各解析値は、導光体12の各材質の屈折率ｎでビーム角３００°となる比率ｄの位置を示す。線形（解析値）は、解析値を結ぶ比率ｄの平均値の線である。

図８から分かるように、ビーム角３００°となる比率ｄと屈折率ｎとには相関性があることが示された。

そして、ビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現する比率ｄの条件は、
ｄ≧－１．２９４４×ｎ＋２．７６８５７８６
の式で表される。

このｄの式は、各屈折率ｎでビーム角３００°となる境界線の値で引いた線であって、図８の線形（解析値）の線と平行で屈折率１．４３および１．５９が含まれるように補正した補正値の線である。

なお、導光体12の屈折率ｎは１．４３～１．５９の範囲が好ましい。この範囲よりも屈折率ｎが大きいと、導光体12内での光の反射回数が増加して損失が大きくなり、光取出効率が低下してしまう。一方、この範囲よりも屈折率ｎが小さいと、導光体12の先端側の寸法を小さくする必要が生じ、それによって導光体12の先端側への入光が少なくなり、この場合にも光取出効率が低下する。

また、導光体12の先端側から出射する光のビーム角３００°が得られたとしても、遮光体14によって遮れてしまっては、光学アッセンブリ10として広い配光特性が得られないことになる。

遮光体14を含む光学アッセンブリ10としてビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現する条件は、導光体12の中心軸ｚ（発光源11の光軸）と遮光体14の周辺部とを結ぶ直線をｘ、この直線ｘと導光体12の中心軸ｚとが交差する交点と光拡散部13とを結ぶ直線をｙとすると、
ｙ／ｘ≧１．３５
の式で表される。

この式を満たせば、光学アッセンブリ10としてビーム角３００°となる広い配光特性が得られる。

そして、第１の実施形態の光学アッセンブリ10によれば、広く均一な配光特性を再現することができる。

すなわち、導光体12の先端面22の半径ａに対する光拡散部13の円筒面部25の半径ｒの比率（ｒ／ａ）をｃ、導光体12の屈折率をｎとすると、ｃ≧０．２１２８×ｎ＋０．５６８１６１９２の関係を満たすことにより、ビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現することができる。

さらに、導光体12の放物面20の軸方向の長さｂに対する光拡散部13の軸方向の長さ（円筒面部25の軸方向の長さｌ＋対向面部26の半径ｒ）の比率（ｌ＋ｒ／ｂ）をｄとすると、ｄ≧－２．１９１１×ｎ＋４．０７０９、ｎ≦１．５２の関係を満たすことにより、広く均一な配光特性を再現することができる。

あるいは、ｄ≧－１．２９４４×ｎ＋２．７６８５７８６の関係を満たすことにより、ビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現することができる。

また、導光体12の軸方向に沿った光拡散部13の断面積Ｓとして、Ｓ≦１６．９mm²の関係を満たすことにより、例えば白熱クリア電球の発光部と同等以下である小形・高輝度の発光部が得られ、白熱クリア電球のようなきらめき感を再現することができる。

また、導光体12の中心軸ｚ（発光源11の光軸）と遮光体14の周辺部とを結ぶ直線をｘ、この直線ｘと導光体12の中心軸ｚとが交差する交点と光拡散部13とを結ぶ直線をｙとして、ｙ／ｘ≧１．３５の関係を満たすことにより、遮光体14を含む光学アッセンブリ10としてビーム角３００°となる広く均一な配光特性を再現することができる。

そして、この光学アッセンブリ10は、車両のライトの光源や照明器具の光源等、各種照明用途に使用できる。

次に、図９および図１０に第２の実施形態を示す。

図９に光学アッセンブリ10を用いたランプ装置40を示す。ランプ装置40は、一般照明に用いられる白熱電球用のソケットに接続して使用可能な電球形ランプである。ランプ装置40は、例えばＥ１７型口金等を用いるキャンドル形ランプである。なお、グローブ側を一端側または先端側と呼び、給電部側を他端側または基端側と呼ぶ。

ランプ装置40は、筐体41を備えている。この筐体41の一端側に、放熱板42、光学アッセンブリ10、グローブ43が配設され、また、筐体41の内部に、絶縁ケース44および電源部45が配設され、さらに、筐体41の他端側に、給電部46が配設されている。

そして、筐体41は、金属材料によって形成されている。筐体41は、一端側の径が他端側の径よりも大きく、一端側から他端側に向けて縮径する円筒状に形成されている。

また、光学アッセンブリ10は、発光源11、導光体12、光拡散部13および遮光体14を備えている。発光源11は、発光モジュールの基板49上に配設されている。導光体12の基端側の周面には取付部50が突設されている。遮光体14は、カバー51を備えている。カバー51は、円錐状で、中心部を導光体12が挿通される挿通孔52が形成されている。カバー51の内側には、導光体12の取付部50を保持して導光体12を位置決め支持する支持部53が設けられている。なお、基板49とカバー51との間から外周方向に光を漏れるのを筐体41の周辺部で防止するため、この筐体41の周辺部も遮光体14の一部に含まれる。

また、放熱板42は、基板49に接触して筐体41の一端側に配置される。

また、グローブ43は、例えば透明な材料によって形成されている。透明な材料としては、樹脂やガラスが用いられる。グローブ43は、中空状で、一端側へ向けて先細りとなる略円錐形に形成され、他端側が開口されている。そして、グローブ43内の先端側近傍に、導光体12の先端側が配置されている。

また、絶縁ケース44は、絶縁性を有する樹脂材料によって円筒状に形成されている。絶縁ケース44は、筐体41内に挿入配置されている。

また、電源部45は、絶縁ケース44内に収容されている。電源部45は、給電部46から入力する交流電源などの外部電源を直流電源などの点灯電源に変換して発光源11に供給する。電源部45は、回路基板55、およびこの回路基板55に実装された図示しない複数の回路部品を有している。そして、電源部45の外部電源の入力部は配線によって給電部46に電気的に接続され、電源部45の点灯電源の出力部は配線によって発光源11に電気的に接続されている。

また、給電部46は、例えばＥ１７型の一般照明白熱電球用のソケットに接続可能な口金が用いられている。なお、給電部46は、ランプ種類に合わせてＥ２６型などの他の種類の口金を用いてもよい。また、給電部46は、口金に限らず、ランプ種類によっては一対のピンなどでもよい。

また、図１０には、ランプ装置40を使用する照明装置60の概略正面図を示す。照明装置60は、例えば壁面取付器具であり、台座61の上面に例えば透明な透光カバー62が配設されているとともに、この透光カバー62の内側にソケット63がランプ接続方向を上方へ向けて配設されている。

ランプ装置40は、給電部46がソケット63に接続されることにより、グローブ43の先端側が上方に向けられた状態に装着される。

そして、ランプ装置40を装着した照明装置60において、外部電源がソケット63を通じてランプ装置40に供給されると、電源部45が外部電源を所定の点灯電源に変換して発光源11に供給する。これにより、発光源11から光が放射される。

発光源11から放射される光は、導光体12の入射面18から導光柱17内に入射し、導光柱17内を先端側へ向けて導光される。導光柱17の先端側へ導光された光は、光拡散部13等の作用により、拡散され、広い範囲に放射される。導光体12から放射される光は、グローブ43を透過し、照明空間に照射される。

ランプ装置40の点灯時には、導光体12の先端側から強い光が放射されるため、白熱クリア電球が点灯しているような、きらめき感を再現される。

そして、第２の実施形態のランプ装置40によれば、上述のように比率ｃおよびｄ、光拡散部13の断面積Ｓ、およびｙ／ｘの関係が規定された光学アッセンブリ10を用いることにより、白熱クリア電球と同様な小形・高輝度な発光部を実現できるとともに、広く均一な配光特性を再現することができる。

なお、第２の実施形態におけるｙ／ｘの関係のｘは、導光体12の中心軸ｚ（発光源11の光軸）と遮光体14の一部である筐体41の周辺部とを結ぶ直線である。

また、ランプ装置40は、電源部45を備えていなくてもよい。この場合、器具側に配設した電源部から発光源11に必要な点灯電源をランプ装置40に供給してもよいし、器具側にも電源部を設けず、給電部46を介して点灯電源を直接、発光源11に供給するようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 光学アッセンブリ
11 発光源
12 導光体
13 光拡散部
14 遮光体
17 導光柱
18 入射面
20 放物面
25 円筒部である円筒面部
26 半球部である対向面部
40 ランプ装置
41 筐体
43 グローブ
46 給電部
60 照明装置
63 ソケット
ｚ 中心軸

Claims (7)

1. 円柱状の導光柱、この導光柱の基端側の端面に設けられ発光源から光を入射する入射面、および前記導光柱の先端側の外周面に設けられ前記導光柱の先端側へ向けて縮径する放物面を有する導光体と；
   前記導光体の先端側の中心部に前記導光体の中心軸と中心軸が一致するように設けられた円筒部と、前記円筒部の底面であって前記入射面に対向する側に設けられる半球部と、を有する光拡散部と；
   を具備し、
   前記導光体の先端側の端面の半径に対する前記光拡散部の前記円筒部の半径の比率をｃ、前記導光体の屈折率をｎとすると、ｃ≧０．２１２８×ｎ＋０．５６８１６１９２の関係にある
   ことを特徴とする光学アッセンブリ。
2. 前記導光体の前記放物面の軸方向の長さに対する前記光拡散部の軸方向の長さの比率をｄとすると、ｄ≧－２．１９１１×ｎ＋４．０７０９の関係にある
   ことを特徴とする請求項１記載の光学アッセンブリ。
3. 前記導光体の前記放物面の軸方向の長さに対する前記光拡散部の軸方向の長さの比率をｄとすると、ｄ≧－１．２９４４×ｎ＋２．７６８５７８６の関係にある
   ことを特徴とする請求項１記載の光学アッセンブリ。
4. 前記導光体の軸方向に沿った前記光拡散部の断面積Ｓは、Ｓ≦１６．９mm²の関係にある
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一記載の光学アッセンブリ。
5. 前記導光体の基端側を覆う遮光体を具備し、
   前記導光体の中心軸と前記遮光体の周辺部とを結ぶ直線のうち最も距離が短い直線をｘ、この直線ｘと前記導光体の中心軸とが交差する交点と前記導光体の中心軸と前記光拡散部との交点とを結ぶ直線をｙとすると、最も値が小さくなるｙ／ｘの値が、ｙ／ｘ≧１．３５の関係にある
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一記載の光学アッセンブリ。
6. 筐体と；
   前記筐体の一端側に設けられる発光源と；
   前記発光源に対向して前記支持体の一端側に設けられる請求項１ないし５いずれか一記載の光学アッセンブリと；
   前記筐体の一端側を覆うグローブと；
   前記筐体の他端側に設けられる給電部と；
   を具備することを特徴とするランプ装置。
7. 請求項６記載のランプ装置と；
   前記ランプ装置の前記給電部を接続するソケットと；
   を具備することを特徴とする照明装置。

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