JPH11176220A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ない個数のＬＥＤ素子を使用して、長耐用
時間数と低消費電力を実現するとともに、一定箇所に光
強度が集中せずになるべく一様な強度で面発光する発光
装置を提供する。 【解決手段】 球面や回転放物面等の凹曲面状の集光性
反射面１を有する光反射体２と、前記光反射体２の前面
側に設けられた光透過性カバー３と、前記集光性反射面
１と前記光透過性カバー３で囲まれた空間内の複数箇所
から前記集光性反射面１に向けて光を放射するＬＥＤ素
子５とを、備えてなる発光装置であって、前記光透過性
カバー３が光拡散性を有し、前記集光性反射面１と前記
光透過性カバー３の中間の集光部分に光透過拡散領域７
を形成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球面や回転放物面
等の凹曲面状の集光性反射面を有する光反射体と、前記
光反射体の前面側に設けられた光透過性カバーと、前記
集光性反射面と前記光透過性カバーで囲まれた空間内の
複数箇所から前記集光性反射面の所定領域に向けて光を
放射するＬＥＤ素子とを備えてなる発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的なＬＥＤ素子は、発光ダイオード
を先端部が集光性を有する透明或いは半透明の樹脂パッ
ケージ内に封止して作製されており、前記樹脂パッケー
ジが一方端が球面加工された円柱形状のエポキシ樹脂製
で、他方端側から電極リードを取り出したものがある。
また、前記球面加工によって発光ダイオードからの発光
が前記樹脂パッケージの軸芯（以下、光軸という）方向
に集光され一定の視野角を有している。特に、前記樹脂
パッケージが透明の場合は、その視野角が狭く高輝度で
あるが、前記樹脂パッケージが半透明の場合は、発光ダ
イオードからの発光の一部または全部が前記樹脂パッケ
ージの内部で拡散し、前記視野角は広がるものの低輝度
となる。また、かかるＬＥＤ素子は、単体或いは集合体
で、表示用、照明用、または、光通信用の光源等に幅広
く利用されている。一方、表示用または照明用の光源と
しては、電球や蛍光灯がより一般的に使用されている
が、前記ＬＥＤ素子はこれらに比べ、耐用時間数が長
く、低消費電力であるという特長から、頻繁なメンテナ
ンスが困難な用途や、電源として電池を使用する用途等
に適している。因みに、電球や蛍光灯の耐用時間数が普
及品で２０００時間〜４０００時間程度であるのに対し
て、前記ＬＥＤ素子の耐用時間数は４００００時間以上
と１０倍以上長寿命である。

【０００３】しかしながら、前記ＬＥＤ素子は、一般に
前記樹脂パッケージのままで使用され、単体使用の場合
は、前記樹脂パッケージが透明、半透明の如何にかかわ
らず小型であるため実質的に点光源として振る舞うた
め、表示用または照明用の光源として１次元的または２
次元的に広がりを持たせる必要がある場合は、特に、信
号灯のように遠方からの視認性が要求されるものに対し
ては、前記ＬＥＤ素子を多数集合させて使用しなければ
ならなかった。従って、多数個を同時に使用すること
で、消費電力が増加するという問題が生じるとともに、
多数の前記ＬＥＤ素子を一装置として配置、結線しなけ
ればならず、製造手順が複雑化し、部品コスト及び製造
コストが増え、製品コストを高騰させる結果となる。

【０００４】また、前記ＬＥＤ素子を多数集合させて使
用しても、光軸方向前方から観察した場合の光源として
広がりを持たせることができても、前記ＬＥＤ素子単体
での視野角が狭いため、同時に全体としての視野角を広
げることが困難であり、光源として広がりを持っても前
記ＬＥＤ素子の光軸に対する斜め方向からの視認性は改
善されないという問題がある。特に、前記樹脂パッケー
ジが透明の場合に顕著である。更に、前記斜め方向から
の視認性を改善するためには、前記ＬＥＤ素子を光軸を
揃えて平面的に配列するのではなく、各光軸を変化させ
ながら立体的に配置する等の工夫が必要となり、更に製
造方法が複雑困難化する要因となる。

【０００５】また、前記ＬＥＤ素子は、単体使用、多数
使用にかかわらず、点光源として振る舞うため、観察者
の網膜に残像が強く生じ、長時間直視すると目が疲れる
という問題がある。

【０００６】そこで、前記ＬＥＤ素子からの直接光を使
用せずに、前記ＬＥＤ素子からの直接光を一旦球面や回
転放物面等の凹曲面状の集光性反射面で反射させて、そ
の反射光をその前方に設けた光透過性カバーを透過させ
て、遠方からは、その光透過性カバーから面発光してい
るように見える発光装置が提案されている。かかる発光
装置では、前記集光性反射面及び前記光透過性カバーで
その視野角を調整することが可能であり、少ない個数の
ＬＥＤ素子で面発光装置が実現できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記Ｌ
ＥＤ素子からの狭視野角の入射光によって、前記集光性
反射面での入射光の光強度分布が一様でなく、更に、前
記集光性反射面が有する集光特性により、反射光の前記
光透過性カバー表面での光強度分布が必ずしも均一にな
らずに、一様な強度で面発光する発光装置の実現は困難
であった。

【０００８】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、上述の問題点を解消し、少ない個数の
ＬＥＤ素子を使用して、長耐用時間数と低消費電力を実
現するとともに、一定箇所に光強度が集中せずになるべ
く一様な強度で面発光する発光装置を提供する点にあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明による発光装置の第一の特徴構成は、特許請求
の範囲の欄の請求項１に記載した通り、球面や回転放物
面等の凹曲面状の集光性反射面を有する光反射体と、前
記光反射体の前面側に設けられた光透過性カバーと、前
記集光性反射面と前記光透過性カバーで囲まれた空間内
の複数箇所から前記集光性反射面に向けて光を放射する
ＬＥＤ素子とを備えてなり、前記光透過性カバーが光拡
散性を有し、前記集光性反射面と前記光透過性カバーの
中間の集光部分に光透過拡散領域を形成している点にあ
る。

【００１０】同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項２に記載した通り、前記第一の特徴構成に加え
て、前記光反射体または前記集光性反射面が光拡散性を
有する点にある。

【００１１】同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項３に記載した通り、前記第二の特徴構成に加え
て、前記光反射体が発泡スチロール製である点にある。

【００１２】同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項４に記載した通り、前記第三の特徴構成に加え
て、前記光反射体の背面が前記集光性反射面に沿った凸
曲面でその表面に前記光反射体側に光を反射する背面反
射体が設けられてある点にある。

【００１３】同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項５に記載した通り、前記第一、第二、第三また
は第四の特徴構成に加えて、前記光透過性カバーまたは
前記光透過拡散領域を形成する素材がシリコーン樹脂製
である点にある。尚、本明細書において、シリコーン樹
脂はシリコーンゴムを含む。

【００１４】同第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項６に記載した通り、前記第一、第二、第三、第
四または第五の特徴構成に加えて、前記ＬＥＤ素子が少
なくとも３個設けられており、それらの発光色が少なく
ともＲＧＢ３原色を含む点にある。

【００１５】以下に作用並びに効果を説明する。第一の
特徴構成によれば、前記ＬＥＤ素子からの狭視野角の光
が前記集光性反射面の所定領域に所定の強度分布で入射
して、前記集光性反射面と前記光透過性カバーで囲まれ
た空間内の所定領域に集光するように前記集光性反射面
で反射し、そのままでは前記光透過性カバーに所定の強
度分布で到達するところを、その途中の集光部分に光透
過拡散領域が形成されているため、そこを通過する光強
度の強い反射光が拡散しながら前記光透過性カバーに到
達するため、前記光透過性カバーでの光強度分布が平坦
化され、一定箇所に光強度が集中するのを回避でき、よ
り一様な面発光が可能となるのである。また、前記光透
過性カバーが透明な場合は、前記光透過性カバー表面を
外部から観察する観察者からは前記光透過性カバーが面
発光しているのではなく、前記集光性反射面及び前記光
透過拡散領域が発光しているように見え、必ずしも一様
な面発光とはならないところが、前記光透過性カバーが
光拡散性を有することから、前記集光性反射面及び前記
光透過拡散領域が前記観察者から明瞭に認識されず、前
記光透過性カバーが一様に面発光しているように観察さ
れるのである。この結果として、少ない個数のＬＥＤ素
子を使用して、長耐用時間数と低消費電力を実現すると
ともに、一定箇所に光強度が集中せずになるべく一様な
強度で面発光する発光装置を得ることができるのであ
る。更には、観察者の目の疲れが生じ難い発光装置を提
供することができるのである。

【００１６】第二の特徴構成によれば、前記光反射体ま
たは前記集光性反射面が光拡散性を有するため、前記光
透過拡散領域に到達する反射光の光強度分布が更に均一
化されるのである。この場合、前記集光性反射面が鏡面
でなく、ある程度粗面で光拡散性を有している場合や、
前記集光性反射面が一部の光を前記光反射体内部に透過
させ、その透過光が前記光反射体内部で拡散して前記集
光性反射面から前方へ出射する場合であっても同様であ
る。

【００１７】第三の特徴構成によれば、安価で、軽量
で、加工性に優れた前記光反射体を提供することができ
るのである。また、その光反射体の、前記集光性反射面
が一部光拡散性を有し、更に、一部の光を前記光反射体
内部に透過させ、前記光反射体が更に光拡散性を有する
ことから、前記光反射体内部に入射した光は拡散して一
部が前記集光性反射面から前方へ出射するため、上記第
二の特徴構成の作用効果を十分に発揮することができる
のである。

【００１８】更に、第四の特徴構成によれば、発泡スチ
ロール製の前記光反射体を透過した光が前記背面反射体
で反射して前記集光性反射面から前方へ出射するため、
前記光反射体を後方に透過する光を有効に利用でき、光
強度の低下を防止できるのである

【００１９】第五の特徴構成によれば、任意形状に加工
容易な光拡散体を得ることができるのである。

【００２０】第六の特徴構成によれば、ＲＧＢ３原色に
夫々対応する前記ＬＥＤ素子の電流値を各別に調整する
ことで、任意の発光色が得られ、しかも、前記ＲＧＢ３
原色が前記集光性反射面で反射して集光するため、混色
効果が高く、一旦集光部分で混色した光が前記光透過拡
散領域で拡散して前記光透過性カバーに到達するため、
前記光透過性カバー表面での色の分布も光強度の分布と
同様に均一化が図れるのである。

【００２１】従って、本発光装置を大型のカラー表示装
置の一画素として使用すれば、ＲＧＢ３原色毎に別個の
画素を準備せずともよく、また、画素単位で微妙な色調
整が可能であるため、比較的近距離からも色分離せずに
観察できる高分解能の大型カラー表示装置を提供できる
のである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１及び図２に示すように，本発
明の発光装置は、発泡スチロール製の外形半球状で、球
面若しくは回転放物面の凹曲面状の集光性反射面１を内
側に形成した白色の光反射体２を筐体として、光拡散性
を有するシリコーン樹脂性の半透明で円形薄板状の光透
過性カバー３を前記光反射体２の前面側に前記光反射体
２と周縁部同士を接するように設け、前記集光性反射面
の周部の周方向環状に配置した複数箇所にＬＥＤ素子取
付部４を設け、そのＬＥＤ素子取付部４に前記集光性反
射面の中央部に向けて光を放射するＬＥＤ素子５を３個
以上取り付け、前記集光性反射面１の中央部の前面で前
記光透過性カバー３の後方にシリコーン樹脂性の半透明
で円形薄板状の光透過拡散板６からなる光透過拡散領域
７を形成し、前記光反射体２内部から漏れ出てくる光を
前記光反射体２側へ反射させる薄膜状の背面反射体８を
鏡面状の内面を前記光反射体２の外側の半球面に密接さ
せて設けて構成されている。更に、前記光反射体２と前
記光透過性カバー３の両周縁部を外側から押さえつけて
支持固定する環状の外枠体９が設けられている。また、
前記光透過拡散板６は径方向外側に向けて放射状に延び
た支持アーム６ａによって中空に支持されている。

【００２３】前記ＬＥＤ素子５の発光色はＲＧＢ３原色
を各別に備えており、外部から各ＬＥＤ素子５における
消費電流量を各別に制御できるように各別にリード線１
０が取り出されている。

【００２４】以下、上記構成における、発光作用につき
説明する。前記各ＬＥＤ素子５の電流量を調節して、各
ＲＧＢ３原色を適当な発光強度の割合で夫々前記集光性
反射面１の中央部に向けて発光させると、前記各ＬＥＤ
素子５から放射されたＲＧＢ３原色の光は、混色状態で
前記集光性反射面１の中央部で前方に向けて反射する。
このように、各ＲＧＢ３原色を一旦前記集光性反射面１
の中央部に集光させ略同方向に反射させることで色分離
を防ぎ効果的な色合成が行えるのである。ここで、前記
集光性反射面１で反射した反射光の、図１に示す前記集
光性反射面１の中心軸Ｘに垂直な横断面上の光強度分布
は周辺部より前記中心軸Ｘが強度が大であるため、その
まま前記光透過性カバー３まで到達すれば、たとえ前記
光透過性カバー３が光拡散性を有していても、中心部付
近の光強度が周辺部より大となり、均一な面発光とはな
らない。しかしながら、光強度の大なる中心軸近傍の反
射光は前記光透過拡散板６を通過する際に拡散して前記
光透過性カバー３の中央部に到達する光が弱まり、逆
に、その周辺部に到達する光が強まり、前記光透過性カ
バー３上での光強度分布のより均一な面発光が得られる
のである。更に、前記集光性反射面１が完全な鏡面の場
合、前記中心軸Ｘに垂直な横断面上周辺部では、各ＲＧ
Ｂ３原色が完全には混色せずに色分離が生じてしまうと
ころを、前記集光性反射面１が発泡スチロール表面のた
め、一部光拡散性があり、混色効果が増し、より均一な
発光色の面発光が得られるのである。

【００２５】ところで、仮に、前記光透過拡散板６を設
けずに、前記集光性反射面１の光拡散度を高めたり、形
状を変化させたりして、集光度合いを緩和させることも
考えられるが、前記各ＬＥＤ素子５から放射された光自
体が狭視野角でその範囲内に相対強度５０％以上のもの
が集中し、更に中心ほど発光強度が大きいため、形状変
化だけでは、前記光透過性カバー３上に前記ＬＥＤ素子
５の個数及び配置に対応した得意な光強度分布パターン
や色分離が発生し、また、光拡散度を高めるだけでは、
前記集光性反射面１の形状に依存した光強度分布パター
ンが現れたり、損失が増加して全体としての発光強度が
低下する虞があり、両手段を適当に組み合わせたとして
も、均一な光強度分布及び混色効果を得ることは極めて
困難であることから、本発明のように、前記光透過拡散
板６を用いることで、より均一な光強度分布及び混色効
果を得ることができるのである。

【００２６】以上より、本発明の発光装置は、信号灯に
応用することができ、電球等を使用したものに比べ、消
費電力の低減とメンテナンス期間の長期化を実現できる
のである。特に、メンテナンスが困難な場所に設置され
てある、電池を電源とする機器類の信号灯の発光装置に
好適である。かかる構成で信号灯を構成すると、同一製
品で任意の発光色が得られるので、例えば、国によって
発光色の規格が異なる信号機等の応用も、同一製品で国
別に対応できるのである。

【００２７】以下に別実施形態を説明する。 〈１〉前記発光装置の各部の形状、材質、並びに、光学
的性状は、上記実施形態のものには限定されない。

【００２８】例えば、前記光透過拡散板６や前記光透過
性カバー３は、必ずしも半透明でなく透明であって、表
面を粗面或いは微小な凸曲面や微小な同心円状の凹凸面
で覆うようにしても構わない。また、半透明体とこれら
の組み合わせであっても構わない。また、前記光透過性
カバー３の表面を球面処理したり、前面にレンズ体を設
けて、視野角を狭めたり、或いは、広げたりしても構わ
ない。

【００２９】更に、前記光反射体２、前記光透過拡散板
６、及び、前記光透過性カバー３は平面視形状が円形
で、前記中心軸Ｘを中心とする回転対称形であったが、
必ずしも回転対称形に構成しなくても構わない。

【００３０】また、前記光反射体２は発泡スチロール製
でなく金属製等で前記集光性反射面１を白色或いは無色
で高反射率の粗面に形成しても構わない。この場合、高
反射率であれば前記背面反射体８は不要である。

【００３１】〈２〉前記各ＬＥＤ素子は必ずしもＲＧＢ
３原色を全て含んでいなくても構わない。また、他の発
光色を含んでいても構わないし、全ての発光色が同色で
も、また、一部または全部が異なる色であっても構わな
い。また、相互の相対位置関係も適宜変更可能である。
また、前記各ＬＥＤ素子が全て同色か、特定の混合色に
固定されている場合等において、前記集光性反射面１、
前記光透過拡散板６、または、前記光透過性カバー３が
着色されてあっても構わない。また、図２において、前
記ＬＥＤ素子５は６個の場合を例示してあったが、前記
ＬＥＤ素子５の個数は複数であれば適宜増減可能であ
る。更に、上記実施形態では、前記ＬＥＤ素子５は単体
の発光ダイオードを各別に樹脂封止した形態のものを想
定したが、複数の発光ダイオードを樹脂封止したもので
あっても構わない。

【００３２】〈３〉本発明の発光装置は、信号灯以外に
も、一般の照明装置等に応用しても構わない。例えば、
複数個をマトリックス状に配列して広視野角、大画面、
且つ、薄型のカラー表示装置を構成するのも好ましい実
施の形態である。この場合、画素面積及びマトリックス
の配列数を適当に調整することで、画面サイズとして映
画スクリーン程度の大画面の実現も可能である。また、
ＲＧＢ３原色毎に別個の画素を準備せずともよく、画素
単位で微妙な色調整が可能であるため、比較的近距離か
らも色分離せずに観察できる高分解能の大型カラー表示
装置を提供できるのである。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
少ない個数のＬＥＤ素子を使用して、長耐用時間数と低
消費電力を実現するとともに、信号灯や大型カラー表示
装置の画素用表示素子に適した、一定箇所に光強度が集
中せずになるべく一様な強度で面発光する発光装置を提
供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る発光装置の一実施形態を示す縦断
面図

【図２】本発明に係る発光装置の光透過性カバーを取り
外した状態における平面図

【符号の説明】

１ 集光性反射面 ２ 光反射体 ３ 光透過性カバー ４ ＬＥＤ素子取付部 ５ ＬＥＤ素子 ６ 光透過拡散板 ６ａ 支持アーム ７ 光透過拡散領域 ８ 背面反射体 ９ 外枠体 １０ リード線 Ｘ 中心軸

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｎ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球面や回転放物面等の凹曲面状の集光性
   反射面を有する光反射体と、前記光反射体の前面側に設
   けられた光透過性カバーと、前記集光性反射面と前記光
   透過性カバーで囲まれた空間内の複数箇所から前記集光
   性反射面に向けて光を放射するＬＥＤ素子とを、備えて
   なる発光装置であって、 前記光透過性カバーが光拡散性を有し、前記集光性反射
   面と前記光透過性カバーの中間の集光部分に光透過拡散
   領域を形成してなる発光装置。
2. 【請求項２】 前記光反射体または前記集光性反射面が
   光拡散性を有する請求項１記載の発光装置。
3. 【請求項３】 前記光反射体が発泡スチロール製である
   請求項２記載の発光装置。
4. 【請求項４】 前記光反射体の背面が前記集光性反射面
   に沿った凸曲面でその表面に前記光反射体側に光を反射
   する背面反射体が設けられてある請求項３記載の発光装
   置。
5. 【請求項５】 前記光透過性カバーまたは前記光透過拡
   散領域を形成する素材がシリコーン樹脂製である請求項
   １、２、３または４記載の発光装置。
6. 【請求項６】 前記ＬＥＤ素子は少なくとも３個設けら
   れており、それらの発光色が少なくともＲＧＢ３原色を
   含むことを特徴とする請求項１、２、３、４または５記
   載の発光装置。