JPWO2007099860A1 - Led照明器具 - Google Patents

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Abstract

LED照明器具は、発光色の異なる複数種のLEDで構成された発光モジュールと、発光モジュールからの混合色の光を拡散させるレンズを備えたレンズユニットと、各LEDに流す電流を制御する光出力コントローラと、発光モジュールから放射される光を検出する器具光センサーを備える。光出力コントローラは、検出された光の出力レベルに基づいて、発光モジュールのから放射される光が所定の色度となるように、各LEDへの電流をフィードバック制御する。レンズユニットに、レンズから光を器具光センサーへガイドするための光ガイドが一体に形成され、発光モジュールの光を器具光センサーに効率よく導く。

Description

本発明は、発光色の異なる複数種の発光ダイオード(LED)を使用して所望の色度の光を放射するLED照明器具に関するものである。
国際特許公開WO0037904号公報は従来のLED照明器具を開示している。このLED照明器具は、発光色の異なる複数種のLED(例えば、赤色LED、緑色LED、青色LED)を実装した回路基板と、この回路基板を保持する器具本体と、LEDの表面をカバーする光学部材とを備えている。この照明器具では、所望の色度の光(例えば、白色光)を与えるために、全てのLEDの光出力を検出する単一のフォトダイオードと、各LEDの光出力が予め設定された目標値に保たれるように各LEDへの順方向電流の通電量をフィードバック制御するコントローラとを備えている。この照明器具においては、各LEDから放射された光を光ファイバーに通してフォトダイオードへ伝達させているため、全てのLEDの光を安定的に検出することが難しい問題がある。更に、制御部は、赤色LED、緑色LED、青色LEDを個別に短い時間間隔で点灯させて、赤色、緑色、青色毎に光出力レベルを検出しているため、実際の照明光である各色のLEDの混合色に基づいて、混合色を調整することが難しいという問題がある。
本発明は上記の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、器具全体から放射される混色光の色度を所望の色度に精度良く調整することができるLED照明器具を提供することにある。本発明に係るLED照明器具は、発光色の異なる複数種の発光ダイオード(LED)を備えてこれらのLEDからの混合色光を放射する少なくとも一つの発光モジュールと、発光モジュールからの光を拡散させるレンズを備えたレンズユニットと、上記の発光モジュールの各LEDに流す電流を制御する光出力コントローラと、上記の発光モジュールから放射される混合色光を検出する器具光センサーを備える。上記器具光センサーは、検出された混合色から上記の複数種のLEDの発光色に対応する特定色光の光レベルを取り出すように構成され、上記光出力コントローラは、上記器具光センサーからの特定色光の光出力レベルに基づいて、上記の発光モジュールからの混合色が所望の色度となるように、各LEDへの電流をフィードバック制御するように構成される。本発明の特徴とするところは、上記レンズユニットに、上記レンズから上記の混合色光を上記器具光センサーへガイドするための光ガイドが一体に形成されたことである。このため、全てのLEDの発光によって得られる混合色光を器具光センサーに効率よく導くことが出来、混合色の色度を精度良く調整出来ることが出来る。
本発明の照明器具には、所望の色度を規定する特定色光である例えば、赤色光、緑色光、青色光についてそれぞれの光出力レベルの基準値を記憶する記憶部が設けられ、上記光出力コントローラはこの記憶部に記憶された基準値に基づいて、上記のLEDへの電流を制御する。このため、記憶部での各色の出力レベルの基準値を調整することで、異なる色度の照明器具を実現することが出来る。
上記の器具光センサーは、上記の各特定色光を選択的に透過させる複数の色フィルターと、各色フィルターを通過する特定色の光レベルを検出する複数のレベルセンサーとで構成されることが好ましい。このため、発光モジュールにおける複数種のLEDそれぞれの発光色を同時かつ各別に検出することができる。
これに代えて、器具光センサーは、上記の少なくとも一つの発光モジュールからの混合色光を上記の特定色光に分光する分光素子と、分光された各特定色の光レベルを検出するレベルセンサーとで構成することも可能である。
上記のレンズユニットに、上記器具光センサーに近接する集光部が一体に形成されることが好ましい。この場合、上記の光ガイドは上記のレンズから上記の集光部に向けて断面積を小さくして、器具光センサーへ効率的に混合色を伝達することができる。
本発明の照明器具は複数の発光モジュールを備えることが好ましい。この場合、複数の発光モジュールがそれぞれ対応するレンズと上記の器具光センサーとの間の距離が異なる位置に配置され、各レンズから器具光センサーに至る光路長が長い光ガイドの断面積が、光路長の短い光ガイドよりも大きくされる。このため、光路長の大小に拘わらず、複数の発光モジュールから一様な光量の光を器具光センサーに入射させることが出来、器具全体の光に基づいて発光色を所望の色度に制御することができる。
上記の器具光センサーは、器具本体に支持された回路基板上に、上記の発光モジュールと共に実装されることができる。この場合は、レンズユニットから器具光センサーまでの光ガイドの距離が短くて済み、レンズユニットを簡単な形状とすることができる。
また、上記の器具光センサーを器具本体の背面側に配置することも可能である。この場合、光ガイドは器具本体の前面側から発光モジュールを実装する回路基板を通して器具本体の背面側に延出するように構成されて、器具光センターに結合する。
更に、上記の器具光センサーは、器具本体と別体に形成された制御ユニット内に収容することも可能である。この場合、上記光ガイドは上記回路基板を通して上記の器具本体の背面側に延出し、この光ガイドと上記の光センサーとが光ファイバーによって結合される。この構成により、器具本体と別体となる制御ユニットへ発光モジュールからの混合色光を上手く伝達することができ、照明器具設計の自由度を高めることが出来る。
また、上記のレンズユニットに反射体を形成することも好ましい。この反射体は、レンズ前面から入射する外光を反射して、上記光ガイドから上記光センサーに至る経路に外光が入射するものであり、周囲の光の影響を無くして、発光モジュールからの混合色光のみを器具光センサーにて検出することができて、正確な色度調節が行える。
上記の反射体は、レンズユニット内に形成した空洞の一面に形成することができる。また、この反射体は、レンズユニット内に形成されて、レンズから伝達される光を光センサー側に反射するように形成することで、発光モジュールからの混合色を効率よく器具光センサーに集めることが出来る。
更に、本発明のLED照明器具は、周囲光の色度に合致する光を照射するように構成することもできる。この場合、周囲の光を検出する周囲光センサーが設けられ、この周囲光センサーは周囲の光から上記の複数種のLEDの発光色に対応する特定色光の光レベルを取り出してこれを上記の光コントローラへ出力する。上記の光出力コントローラは、上記の周囲光センサーからの特定色の光レベルの比率に一致させるように、上記の少なくとも一つの発光モジュールの各LEDへの電流を制御する。このような構成を採用することで、併用する他の照明器具の色度に一致した光を出すことができ、複数のLED照明器具を用いて、広い範囲に亘って同一色度の照明効果を与えることが可能となる。
本発明の第1の実施形態に係るLED照明器具の下面図。 同上の照明器具の一部切り欠き正面図。 同上の照明器具の断面図。 同上の照明器具に使用する発光モジュールを示す断面図。 同上の照明器具の器具本体を示す斜視図。 同上の照明器具に使用するレンズユニットを示す下面図。 同上のレンズユニットの断面図。 同上の照明器具に使用する化粧リングの斜視図。 同上の照明器具の回路構成を示すブロック図。 同上の照明器具の一使用形態を示す概略図。 同上の照明器具の第1の変更態様を示す断面図。 同上の照明器具の第2の変更態様を示す断面図。 同上の照明器具の第3の変更態様を示す断面図。 同上の照明器具の第4の変更態様を示す断面図。 同上の照明器具の第5の変更態様を示す断面図。 図14の照明器具に使用する色フィルターを示す概略図。 本発明の第2の実施形態に係るLED照明器具を示す断面図。 同上の照明器具の第1の変更態様を示す断面図。
本発明の第1の実施形態に係るLED照明器具を、図1〜10に基づいて説明する。本実施形態のLED照明器具は、シーリングライトとして構成されるものであり、図2に示すように、天井100に取り付けられる円盤状の器具本体10と、器具本体10の前面に配置される複数の発光モジュール20と、発光モジュール20を器具本体10の前面でカバーするレンズユニット40とを備える。器具本体10の前面には、図5に示すように、円形の凹所12が形成され、この中に発光モジュール20及びレンズユニット40が収められる。凹所12の外周には、レンズユニット40を囲む化粧リング50が取り付けられ、器具本体10を天井100に固定するねじ15を隠す。化粧リング50は、図8に示すように、背面に突出するフック52を、器具本体10の穴14に係合させて器具本体10へ着脱自在に取り付けられる。
各発光モジュール20は、図4に示すように、基材21の表面に複数の異なる発光色を与える発光ダイオード、即ち、赤色LED22、緑色LED23、青色LED24を配置して、白色の混合光を与えることができるように構成される。各LEDはベアチップとして用意され、基板21上の回路パターンにこれらのベアチップがワイヤボンディングで電気接続される。これらのLEDとワイヤボンディングが透明な封止樹脂(例えば、シリコン樹脂やエポキシ樹脂)で封止されて、複数のLEDを収めた発光部25を形成する。尚、LEDはフリップチップ方式で基板21に実装することも可能である。基材21の表面周囲には、各LEDへ回路パターンを介して電気接続される電極26が形成され、基材21の裏面には、熱伝導性が高い絶縁材料の有機グリーンシート28が設けられる。この有機グリーンシート28は、アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い金属で成形される器具本体10に固着され、LEDで発生する熱を器具本体10に放熱する。
複数の発光モジュール20は、器具本体10の前面に形成した円形の凹所12内に収める単一の回路基板30に実装されて、器具本体10の中心の周りに配列される。回路基板30には複数の円形開口34が形成され、各発光モジュール20が発光部25を各開口34内に露出させる形で、発光モジュール20の基材21周縁の電極26を回路基板30の裏面に形成した回路パターンに電気接続させる。各発光モジュール20の基材21裏面の有機グリーンシート28が器具本体10に固着されることで、回路基板30が器具本体10に保持される。有機グリーンシート28はシリカやアルミナなどのフィラーを高充填したエポキシ樹脂層のような熱伝導性が高く加熱時の流動性が高い可塑性シート材料で形成され、加熱して塑性変形させることにより器具本体10に固着される。
回路基板30は電子部品が実装されて、各発光モジュール20内の各LED22、23、24への供給する電流を制御して発光モジュール20から放射される光の色度を調整する光出力コンローラ60の電子回路を形成している。光出力コントローラ60は、器具本体10の背面側に配置する電源ユニット110から配線32を介して電源が供給される。更に、回路基板30には、各発光モジュール20から放射される光を検出する器具光センサー80が実装される。
レンズユニット40は、図6及び図7に示すように、それぞれ各発光モジュール20に対応する形で配置された複数のレンズ42を一体に備えた形状に透明材料で成形され、回路基板30の前面を覆う形で器具本体10の前面へねじ11で固定される。ねじ11はレンズユニット40の周縁の一部に形成したボス41へ器具本体10の裏面側から挿入される。レンズユニット40の周縁には器具本体10の円形凹所12の周縁に合致する側壁43が形成される。各レンズ42はフレネルレンズとして設計され、対応する発光モジュール20から放射される光を配光させる。各レンズ42は、回路基板30側に突出する膨出部44を備え、膨出部44の上端周縁を回路基板30の円形開口34の周縁に接触させて、各発光モジュール20に各レンズを一致させる。各発光モジュール20の発光部25は膨出部44の上端の凹所45内に収められる。膨出部44の外面形状は、凹所45の側面から入射する光を内部反射させてレンズ42の出射面に導くように設計されている。
レンズユニット40には各発光モジュール20から放射される光の一部をレンズユニット40の中央の集光部46へ導くための光ガイド47が形成され、集光部46は集められた光を回路基板30上の器具光センサー80に向けて放射する凸レンズ形状とされる。集光部46の外面には反射膜48が形成され、周囲の光が器具光センサー80に入射するのを防ぐ。レンズユニット40は全体を透明材料、例えば、アクリル樹脂や、ポリカーボネート樹脂や、ガラスで成形されるか、或いは、透明材料と金属材料を併用して成形される。後者の場合、レンズ42、光ガイド47、集光部46を透明材料で形成し、残りの部分を金属材料で形成することで、LEDの発光に伴う熱の放熱を促進することが出来る。
器具光センサー80は、赤色LED22、緑色LED23、青色LED24からの放射される光を選択的に透過する3つの色フィルター(図示せず)と、可視光域の全域に亘る受光感度を有する複数のフォトダイオードであるレベルセンサー(図示せず)とで構成され、赤色、緑色、青色の光レベルを同時に検出して、各色で検出した光レベルを光出力コントローラ60へ出力する。尚、一つのレベルセンサーのみを用い、時分割処理によって各色のレベルを所定間隔をおいて検出することも可能である。
光出力コントローラ60は、図9に示すように、記憶部65と色信号作成部66を備える。記憶部65は赤色、緑色、青色それぞれの光出力レベルの基準値を保持し、色信号作成部66はこれらの基準値に応じた強度の光が各LED22、23、24から放射されるような電流指令値を各色について作成する。この電流指令値は駆動回路R62、駆動回路G63、駆動回路B64に送られ、ここで決定された電流が各発光モジュール20でのLED22、23、24に供給されて、各LEDを発光させる。記憶部65に保持される基準値は、通常、各LEDからの混合色、即ち、各光出力モジュール20から放射される光を白色光とするように設定される。
器具光センサー80で検出された各色の光レベルは色信号作成部66に送られ、検出された各色の光レベルが記憶部65で保持された基準値に一致するような電流指令値を作成するフィードバック制御が行われ、発光モジュールから放射される色の色度を、所定の値に維持する。
本実施形態の照明器具では、図1や図6に示すように、複数のレンズ42がレンズユニット40の中心の集光部46から異なる距離の位置に配置されて、各発光モジュール20から器具光センサー80までの光ガイド47の光路長が異なっている。このような異なる光路長によって、器具光センサー80に入射する光量にばらつきが生じるのを抑制するために、長い光路長を有する光ガイド47は、短いものに比べて、断面積を大きくして、照明器具全体での光の色度の検出精度が向上される。
本実施形態の照明器具は、発光モジュール20から放射される光を検出する器具光センサー80に加えて、周囲の光を検知する周囲光センサー90が備えられ、周囲の光源からの光の色度に合致した光を発光モジュール20から放射させる調和機能が付加される。周囲光センサー90は、上の器具光センサー90と同様に、赤色、緑色、青色の光のレベルを個別に検出するように構成され、器具本体10の前面周縁部に配置される。この調和機能を行う場合、色信号作成部66には、記憶部65からの基準信号の代わりに、周囲光センサー90で検出された各色の光レベルが入力され、この光レベルの比率に応じた比率の電流指令値を各色について作成し、この電流指令値に対応する電流を各LED22、23、24に供給することで、各発光モジュール20からの光を周囲光の色度に合致させる。図10は上の調和機能を利用した照明システムの一例を示し、複数体のLED照明器具Lを、基準となる一つの照明器具Xの周りに配置して、基準の照明器具から放出される光の色度に、周りのLED照明器具Lからの光を調和させる照明システムを示す。
尚、本実施形態では、2つの周囲光センサー90を器具本体10の外周部で互いに直径方向に対向する位置に設けており、2つの周囲光センサー90で検出された各色の光レベルの平均値に基づいて、各LEDへ供給する電流をフィードバック制御しているが、周囲光センサー90は一つでも、また3つ以上設けても良い。周囲光センサー90を複数設ける場合は、一つ又はそれ以上の周囲光センサー90の選択的に不能とさせるスイッチを照明器具に設けることが可能である。この場合は、必要な周囲光のみを検出して、不要な周囲光の影響を排除することが出来る。
図11は、上記の実施形態の第1変更態様を示すもので、レンズ42から集光部46に至る光ガイド47の断面積、即ち厚みを集光部46側に向けて次第に小さくすることで、集光部46への光の伝達効率を高めている。
図12は、上記の実施形態の第2の変更態様を示し、器具光センサー80に面するレンズユニット40の背面に集光部46の凸部を形成している。
図13は、上記の実施形態の第3の変更態様を示し、器具光センサー80に対応するレンズユニット40の中心部に反射体48を埋設し、反射体48から背面側の部分を器具光センサー80に向けて突出させてこの部分を集光部46としている。
図14は、上記の実施形態の第4の変更態様を示し、レンズユニット40の前面の中心部に断面が三角形状の反射体48を埋設して、外光が器具光センサー80に入射するのを防止すると共に、光ガイド47を通過する光を器具光センサー80側に反射させて、器具光センサーへの光の入射効率を高めている。
図15と図16は、上記の実施形態の第5の変更態様を示し、器具光センサー80が、光ガイド47を通して伝達される光Hを赤、緑、青の各色に分光する分光素子81と、分光された各色の光レベルを検出するレベルセンサーである複数のフォトダイオード82、83、84で構成される。この分光素子81は、図15に示すように、レンズユニット40の集光部46の背面に形成した回折格子で形成されているが、レンズユニット40と別体として形成しても良い。
図17は、本発明の第2の実施形態に係るLED照明器具を示し、器具光センサー80を器具本体10の背面に配置し、器具本体10と別体に形成した制御ユニット70内に収めた光出力コントローラ60へ配線88にて接続している。この場合、レンズユニット40に形成した光ガイド47は、レンズユニット40の背面中央から、回路基板30を貫通し器具本体10の背面に向けて延出して、器具光センサー80へ光結合する。器具光センサー80は、器具本体10の背面に突出する筒部16内に配置した断熱スリーブ18の一端に支持されて、器具本体10からの熱影響を少なくしており、光ガイド47の先端部がこの断熱スリーブ18内に挿入されて器具光センサー80へレンズ42からの光を出力する。制御ユニット70は、電源ユニットに結合されて各LEDへの電力を得る。その他の構成は、第1の実施形態と同様であるため、同一の要素については同一の符号で示す。
図18は、第2の実施形態の第1の変更態様を示し、器具本体10と別体の制御ユニット70内に、光出力コントローラ60と共に器具光センサー80を配置し、レンズユニット40の背面中央から延出する光ガイド47と器具光センサー80とを光ファイバー72を介して光結合している。光ガイド17の一端は、器具本体10の背面に突出する筒部16内に配置した断熱スリーブ18内に挿入され、ここで光ファイバー72の一端と接続され、光ファイバー72の他端は制御ユニット70内で器具光センサー80に結合される。この変更態様においては、レンズユニット40の中央に空洞45が形成され、空洞45の壁面に反射膜48が形成されており、空洞45の背面側に延出する光ガイド47へ、レンズユニット40の前面側からの光が入射することを防止している。
上述した実施形態並びにその変更態様において示す個々の特徴は、他の実施形態や変更態様の特徴に置換されるか、或いは追加できるものであり、そのような構成もまた本発明の範疇である。
また、上述の実施形態では、各発光モジュールを、赤色LED22と緑色LED23と青色LED24とで構成した例を示しているが、本発明は必ずしもこれのみに限定されるものではなく、その他の特定色を発光するLEDを含む全ての利用可能なLEDを組み合わせて、所望の混合色を得ることが出来る。

Claims (13)

  1. 発光色の異なる複数種の発光ダイオード(LED)を備え、これらのLEDからの混合色光を放射する少なくとも一つの発光モジュールと、
    上記の少なくとも一つの発光モジュールからの光を配光させるレンズを備えたレンズユニットと、
    上記の少なくとも一つの発光モジュールの各LEDに流す電流を制御する光出力コントローラとを備えたLED照明器具であって、
    上記の少なくとも一つの発光モジュールから放射される混合色光を検出する器具光センサーを有し、
    上記レンズユニットは、上記レンズから上記の混合色光を上記器具光センサーへガイドするための光ガイドを一体に備え、
    上記器具光センサーは、検出された混合色から上記の複数種のLEDの発光色に対応する特定色光の光レベルを取り出すように構成され、
    上記光出力コントローラは、上記器具光センサーからの特定色光の光出力レベルに基づいて、上記の少なくとも一つの発光モジュールからの混合色が所望の色度となるように、各LEDへの電流をフィードバック制御するように構成されたことを特徴とするLED照明器具。
  2. 上記所定の色度を規定する異なる特定色光についてそれぞれの光出力レベルの基準値を記憶する記憶部が設けられ、上記光出力コントローラはこの記憶部に記憶された光出力レベルの基準値に基づいて、上記のLEDへの電流を制御することを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  3. 上記の器具光センサーは、上記の各特定色光を選択的に透過させる複数の色フィルターと、各色フィルターを通過する特定色の光レベルを検出する複数のレベルセンサーとで構成されたことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  4. 上記の器具光センサーは、上記の少なくとも一つの発光モジュールからの混合色光を上記の特定色光に分光する分光素子と、分光された各特定色の光レベルを検出するレベルセンサーとで構成されたことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  5. 上記のレンズユニットに、上記光センサーに近接する集光部が一体に形成され、上記の光ガイドは上記のレンズから上記の集光部に向けて断面積が小さくなったことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  6. 複数の発光モジュールがそれぞれ対応するレンズと上記の器具光センサーとの間の距離が異なる位置に配置され、各レンズから器具光センサーに至る光路長が長い光ガイドの断面積が、光路長の短い光ガイドよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  7. 上記の少なくとも一つの発光モジュールと上記器具光センサーが回路基板上に実装され、上記回路基板が器具本体に支持されたことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  8. 上記の少なくとも一つの発光モジュールが回路基板上に実装され、上記回路基板が器具本体の前面に支持され、上記光ガイドは上記回路基板を貫通して、器具本体の背面側に延出し、器具本体の背面側に配置された上記器具光センサーに結合されたことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  9. 上記の器具光センサーは、器具本体と別体に形成された制御ユニット内に収容され、
    上記の少なくとも一つの発光モジュールが回路基板上に実装され、上記回路基板が器具本体の前面に支持され、上記光ガイドは上記回路基板を通して上記の器具本体の背面側に延出し、この光ガイドと上記の光センサーとが光ファイバーによって結合されたことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  10. 上記のレンズユニットに反射体が形成され、レンズ前面から入射する外光を反射して、上記光ガイドから上記器具光センサーに至る経路に外光が入射することを防止したことを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
  11. 上記の反射体は、レンズユニット内に形成した空洞の一面に形成されたことを特徴とする請求項10に記載のLED照明器具。
  12. 上記の反射体は、レンズユニット内に形成されて、レンズから伝達される光を光センサー側に反射することを特徴とする請求項10に記載のLED照明器具。
  13. 周囲の光を検出する周囲光センサーが設けられ、この周囲光センサーは周囲の光から上記の複数種のLEDの発光色に対応する特定色光の光レベルを取り出してこれを上記の光コントローラへ出力し、
    上記の光出力コントローラは、上記の周囲光センサーからの特定色の光レベルの比率に一致させるように、上記の少なくとも一つの発光モジュールにおける上記の各LEDへの電流を制御することを特徴とする請求項1に記載のLED照明器具。
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