WO2011030578A1

WO2011030578A1 - Ｌｅｄ照明装置

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Publication number: WO2011030578A1
Application number: PCT/JP2010/054373
Authority: WO
Inventors: 片岡照榮; 片岡照幸
Original assignee: Kataoka Shoei; Kataoka Teruyuki
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-03-17
Also published as: US20120169953A1; JP5227460B2; KR20120062803A; KR101381248B1; US9328899B2; CN102498340A; CN102498340B; JPWO2011030578A1

Abstract

　ＬＥＤ（発光素子）からの光は指向性が強く、広い範囲の照明ができなかった。また、照明の質や分布の調節は不可能であった。ＬＥＤ（発光素子）の前部に液晶パネルを配置することによりＬＥＤ（発光素子）からの光を制御し、照明の質や分布を可能にした。

Description

ＬＥＤ照明装置

　本発明はＬＥＤを用いた照明装置に関するもので、液晶パネルと組み合わせることにより照明の質および範囲を調節出来るようにしたものである。

　化合物半導体のＰ－Ｎ接合に直流の電圧を印加することにより光を発するＬＥＤは近年目覚ましい技術の発展により、家庭の照明にも利用されるようになってきた。Ｐ－Ｎ接合の多層化により、また、複数個のＬＥＤ（発光素子）を基盤にマウントするなどして高出力化も可能になった。しかし、発光部の構造上、光の指向性が強く、ダウンライトなど、限られた使用にとどまり、従来の白熱電球や蛍光灯のように、部屋の広い部分の照明は不可能であった。また、必要に応じて、照明の質や範囲を調節することもできなかった。
特開２００８－２８２７５号公報特表２００９－５００２３２号公報特開平１１－３５３９０７号公報特開平０５－２１００７７号公報特許第３９１３１８４号特開２００４－２６４５４９米国特許６８５９３３３号 Richard Stevenson, "The LED’s dark secret", IEEE Spectrum,08.09,2009 ,pp.22-27 板東完治、「ＬＥＤ照明の発展（１）」、照明学会誌、VOL９２,NO.６,２００８,pp.３０１-３０６日本経済新聞、２００９年８月３０日、６ページ、ＬＥＤ特集岡崎淳、加藤正明、小西勝之、「照明用ＬＥＤの現状と将来」、シャープ技報、VOL９９、８、２００９、ｐｐ.１０－１６横田省二、「照明用ＬＥＤデバイス」、シャープ技報、VOL９９、８、２００９、ｐｐ.１７－１９松本正一、角田市良、「液晶の基礎と応用」、工業調査会、ｐｐ３４１－３４２．

　従来の白熱電球や蛍光灯は線発光あるいは面発光であるため、広い範囲にわたって照明することができたが、ＬＥＤ（発光素子）は極めて微小なチップであるため点光源であり、背面や周囲に反射板を設けたり、拡散塗料をガラス容器の内面に塗布して光を散乱させたりしているが、部屋の広い範囲を照らすことは不可能であった。また、必要に応じて、部分的に明るさを変化させることは不可能であった。

　これらの課題を解決するため、本発明はＬＥＤ（発光素子）の前部に液晶パネルを配置した照明装置である。液晶は細長い分子の配列が電界の印加により変化し、光に対する性質が変わるもので、ディスプレイに広く利用されている。

　液晶パネルは、相対する電極板の間に液晶を挿入したものである。代表的な液晶材料の場合には、電極間に電圧が印加されないときは、電極板の境界条件により、液晶分子は面に平行になり、電圧が印加されると、液晶分子は電界の方向、つまり垂直になる。そのため、液晶パネルに垂直な光にたいして、電圧が印加されないときは反射し、電圧の印加により光を透過するようになる。また、印加電圧により光の屈折率も変化する。

　図１Ａは、本発明による照明装置の基本構成を示す。１はＬＥＤ基板、２はＬＥＤ（発光素子）、３はＬＥＤ（発光素子）よりの光線、４は液晶パネル、５は液晶パネルよりの光線を示す。一般に液晶パネル４の構造や組成に不均一があれば液晶パネルからの光は、散乱、あるいは拡散する。

　本発明のＬＥＤ照明装置では、ＬＥＤからの照明光の分布を調節できるので、必要部分に光を集中させたり、光を拡散させたり、光を分散させたり、あるいは部屋全体を間接光で照明するなど、従来なかった照明が可能となり、照明の質を大きく改善することができる。また、従来２つの照明装置が必要であったところに、本発明の１つの照明装置で十分になるなど、省エネルギーや環境問題にも大きく貢献する。

本発明の照明装置の基本構成の断面図本発明の照明装置の基本構成の詳細を示す断面図本発明の照明装置の液晶パネルにおいて、印加電圧が零の場合の液晶分子の向きを示す図本発明の照明装置の液晶パネルにおいて、電圧を印加した場合の液晶分子の向きを示す図凹レンズの機能を有する液晶パネルを配した本発明の照明装置の断面図凹レンズの機能を有するマイクロレンズを形成した液晶パネルを配した本発明の照明装置の詳細構造を示す断面図電極が設けられていない領域が形成された液晶パネルを配した本発明の照明装置の詳細構造を示す断面図凸レンズの機能を有するマイクロレンズを形成した液晶パネルを配した本発明の照明装置の詳細構造を示す断面図フレネルレンズの機能を有するマイクロレンズを形成した液晶パネルを配した本発明の照明装置の詳細構造を示す断面図様々な機能を有するマイクロレンズを形成した液晶パネルを配した本発明の照明装置の詳細構造を示す断面図ポリマー分散型液晶パネルを配した本発明の照明装置の断面図ポリマー分散型液晶パネルを配した本発明の照明装置の液晶パネルにおいて、印加電圧が零の場合の液晶分子の向きを示す図ポリマー分散型液晶パネルを配した本発明の照明装置の液晶パネルにおいて、電圧を印加した場合の液晶分子の向きを示す図異なる機能の液晶パネルのセクションを配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルのセクションを交互に配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図電球型の本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを積層に配した電球型の本発明の照明装置の断面図異なる機能の曲面状の液晶パネルを積層に配した電球型の本発明の照明装置の断面図天井用の本発明の照明装置本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図液晶パネルをＬＥＤ（発光素子）基板に対して傾けて配置した本発明の照明装置の断面図二枚の液晶パネルをそれぞれ反対の方向に傾けて配置した本発明の照明装置の断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられるＬＥＤの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極の例を示す断面図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を示す図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を示す図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を示す図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を示す図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を説明する図本発明に用いられる液晶パネルの電極に印加する電圧の例を説明する図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図異なる機能の液晶パネルを層状に配した本発明の照明装置の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の断面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明に用いられる液晶パネルの例の平面図本発明の電球型の照明装置の断面図

１…ＬＥＤ（発光素子）基板、２…ＬＥＤ（発光素子）、３…ＬＥＤ（発光素子）からの光、４、４A、４B…液晶パネル、５，５A,５B,５C…液晶パネルからの光、６…電球のガラス容器、７…電球の口金、８…カバー、１３…リモコン・センサ、１４…液晶駆動回路、１２…ＬＥＤ駆動回路、１５…商用電源、４１…ガラス基板、４２…透明電極、４３…液晶、４１Ａ…凸レンズ部、４１Ｂ…孔、４１Ｃ…凹レンズ部、４１Ｄ…フレネルレンズ部、４００…液晶分子、４０１…マイクロカプセル

　図１Ｂを参照して、本発明のＬＥＤ照明装置の構造を詳細に説明する。本例の照明装置は、基板１に装着されたＬＥＤ（発光素子）２、液晶パネル４、ＬＥＤ駆動回路１２、リモコン・センサ１３、及び、液晶駆動回路１４を有する。ＬＥＤ駆動回路１２、リモコン・センサ１３、及び、液晶駆動回路１４は、家庭用の商用電源１５に接続されている。即ち、ＬＥＤ駆動回路と液晶駆動回路は、共通の商用電源からの電圧が供給される。透明電極４２は液晶駆動回路１４に接続されている。ＬＥＤ（発光素子）２はＬＥＤ駆動回路１２に接続されている。尚、本例の照明装置に、人感センサーを組み込むことで、人の存在領域を自動検知し、快適かつ省エネの照明が得られる。

　液晶パネル４は、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる電極４２を設けた二枚の平行なガラスの基板４１の間に液晶材料４３を封入して構成する。電極４２に数ボルトの電圧を印加すると液晶分子４００の向きが変化して、光学特性が変化する。ここで光学特性は、光の透過率、屈折率、減衰率等を含む。

　本例によると、液晶駆動回路によって、液晶パネルの光学特性を所望の態様に変化させることができる。例えば、光の透過率及び屈折率を所望の値に変化させることができる。

これについては後に詳細に説明する。それによって、ＬＥＤ照明装置からの照明光を所望の態様に変化させることができる。更に、以下に詳細に説明するが、本発明によると、液晶パネルの電極の形状及び構造を様々な態様に変化させる。それによっても、ＬＥＤ照明装置からの照明光を所望の態様に変化させることができる。

　ＬＥＤ（発光素子）２は、一つのＰ－Ｎ接合よりなる場合には、数ボルトの直流電圧で動作する。ＬＥＤ（発光素子）も液晶パネルも基本的には数ボルトの電圧で動作するので、駆動する電子回路の整合性が極めてよく、両者の駆動電子回路を集積化することもできる。

　ＬＥＤの高出力化のために多数のＬＥＤ（発光素子）を直列及び並列に接続した場合でも、駆動電圧は１０－１５ボルトぐらいで、液晶パネルも１０－１５ボルトぐらいで動作するものもあり両者の電子部品としても整合性は極めてよい。

　図１Ｃ及び図１Ｄを参照して説明する。本例の液晶パネルでは、液晶材料にネマチック液晶を用い、電極間距離が４ミクロンとする。図１Ｃに示すように、印加電圧が零の場合には、液晶分子４００の向きは、電極面にほぼ平行で、入射光３をあまり通さない。図１Ｄに示すように、交番電圧を上げると液晶分子４００の向きが変わり、入射光３を通すようになり、５ボルトぐらいでほぼ透明になる。しかし、このような特性は、液晶基板の処理により大きく変化し、また、液晶材料により大きく変化する。

　現在、広く用いられている液晶の応用は、ディスプレイで、微細なピクセルの光の透過を完全な零から１００パーセントの広い範囲に亘って制御するが、本発明の場合には広い面積に亘って、ある範囲の光の透過や反射、散乱を得ればよいので、液晶パネルの構造は、極めて単純で、製造は容易で安価にできる。

　図２Ａは、液晶パネルの電極にマイクロレンズの構造やフレネル構造を備えることにより、凹レンズ作用を示す液晶パネルを本発明に使用した本発明の実施例である。レンズの働きを示す液晶パネル４をＬＥＤ基板１に平行に配置することによりＬＥＤ（発光素子）２からの指向性の強い光３を拡散させて、５のような光とし、広い範囲の照明を可能とした例である。なお、電極の穴構造やフレネル構造により、凸レンズ作用を示す液晶パネルを設ければ、ＬＥＤ（発光素子）からの光を収束させ、局部的に極めて明るい照明を可能とする照明装置が得られる。

　図２Ｂに示す例では、ガラス基板４１に、液晶が凹レンズの作用を示すマイクロレンズ構造４１Ａが形成されている。図２Ｃに示す例では、ガラス基板４１に、電極が設けられていない領域４１Ｂが形成されている。図２Ｄに示す例では、ガラス基板４１に、液晶が凸レンズの作用を示すマイクロレンズ構造４１Ｃが形成されている。図２Ｅに示す例では、ガラス基板４１に、フレネルレンズ４１Ｄが形成されている。

　図２Ｆに示す例では、ガラス基板４１に、多数のマイクロレンズ、フレネルレンズ等が形成されている。これらのレンズの構造では、比較的大きなレンズ構造をＬＥＤ（発光素子）の真下に構成したり、非常に小さいマイクロレンズを並べたり、必要とする特性により選択することができる。

　図３Ａはマイクロカプセル化した液晶をポリマーに分散させた液晶材料を用いた液晶パネルを配置した実施例で、液晶パネルに電圧を印加しない場合には、マイクロカプセル液晶はランダムに存在しているため、ＬＥＤ（発光素子）からの光３は液晶パネル４で反射され、光５のように散乱し、この照明装置は間接照明を提供する。なお、このような液晶パネルは、従来、遮光ブラインドとして用いられている。

　図３Ｂ及び図３Ｃを参照して説明する。本例の液晶パネルでは、電極間距離が１０ミクロン、液晶を含むマイクロカプセル４０１の大きさが約１ミクロンであり、それをポリマー４０２に分散させたものとする。図３Ｂに示すように、電圧零ではＬＥＤからの光を通さず、散乱、反射して、間接照明になる。図３Ｃに示すように、電圧を加えると光を通すようになり、約５ボルトで透明になるので、照明器具の下で明るい照明が得られる。

　また、携帯電話のディスプレイに用いられるポリマー分散液晶を用いた反射型の液晶パネルを本発明に使用することもできる。この場合、印加電圧零では、ＬＥＤからの光を反射、散乱するが、電圧５ボルトでは、光を通すようになり明るい照明が得られる。

　さらに、ポリマー分散型の液晶を用いて、電極の構造を、ＬＥＤ（発光素子）の下を中心とした多数の同心円構造とした液晶パネルでは、光の回折効果により、レンズ効果が得られるので、ＬＥＤ素子からの光をさらに集中させたり、発散させたりすることができるので、幅広い照明の制御が可能となる。

　図４は、一様な液晶パネルではなく、液晶パネルを複数のセクションに分け、異なる機能を持たせることにより、複雑な照明を実現する装置である。図４で液晶パネルの右の部分４Bは、ポリマー分散型液晶で、ＬＥＤ（発光素子）からの光３に対して散乱させて、光５Aや５Bのように分散させるが、左の部分４Aは凹レンズの機能を有する液晶パネルで、ＬＥＤ（発光素子）からの光３を透過分散させて、光５Cのようになり、部屋の左半分を明るく、右半分は間接照明が得られる。

　図５は、複数のセクションに分けて、機能の異なる液晶パネルを交互に設けた実施例で、広い範囲にわたって、やわらかい照明を提供する照明装置で、それぞれの機能のセクションの液晶パネルに加える電圧を調整することにより、広い範囲の、照明の質の制御が可能である。また、同じ機能の液晶パネルを多数のセクションに分けた照明装置では、それぞれのセクションを制御することにより照明の質を調整することができる。

　図６は、異なる機能の液晶パネルを層状に配置した実施例で、第１の液晶パネル４Bはポリマー分散型液晶パネルで、第２の液晶パネル４Aは凹レンズ機能を有する液晶パネルである。第１の液晶パネルに電圧を加えると殆ど透明になるので、第２の液晶パネルに加える電圧の制御により、適当に拡散した照明が得られる。第１の液晶パネルに加える電圧を低下させ、あるいは零にすることにより、間接照明が得られる。

　図７は、最近市販された電球型ＬＥＤランプに本発明を適用したものである。ガラス容器６内のＬＥＤ（発光素子）２の配列された発光基板１より離れた位置に凹レンズの機能を示す液晶パネル４を設けたもので、液晶パネルに加える電圧を調整することにより、光５のような広がりを示す照明が得られる。

　図８Ａは、同様の電球型ランプであるが、液晶パネルに機能の異なる２枚の液晶パネル４Ａ、４Ｂを積層状に重ねて用いた実施例で、図６の構成を電球に応用したもので、それぞれのパネルに印加する電圧により極めて多彩な照明を得ることができる。図８Ｂの電球型ランプでも、機能の異なる２枚の液晶パネル４Ａ、４Ｂを積層状に重ねて用いる。しかしながら、本例では、液晶パネル４Ａ、４Ｂは、電球と同様な形状に湾曲している。即ち、液晶パネル４Ａ、４Ｂは、半球状に形成されている。

　図９は、本発明の天井に取り付ける照明器具の断面で、カバー８の内部の半円筒形の基板１上のＬＥＤ（発光素子）２からの指向性の強い光３を、その前面に位置する半円筒形の液晶パネル４により、調節されたやわらかい光５にする実施例である。このような半円筒形の液晶パネル４はフィルム液晶パネルを用いることにより、容易に得られる。

　図９及び図８Ｂの例では湾曲したフィルム型液晶パネルを用いる。このような液晶パネルでは、ガラス基板の代わりにプラスチック基板が用いられてよい。

　図１０Ａは、本発明に用いる液晶パネルの平面図で、実施例１に述べた、マイクロレンズでなくとも、網の目状に電極（電極が設けられた部分４２Ａと電極が設けられていない部分４１Ｂ）を形成することにより、電界分布に不均一が生じて、液晶の光学的性質に規則的な変化を生じて、光を拡散する本発明に用いる液晶パネルの例である。

　図１０Ｂは、図１０Ａに示す液晶パネルの断面図である。非電極部分（電極が設けられていない部分）４１Ｂの寸法をＬとし、２つの電極４２Ａ、４２Ｂの間の寸法をｄとする。図１０Ｂでは、上側の電極４２Ａに、寸法Ｌの非電極部分４１Ｂが形成されている。一方、下側の電極４２Ｂは、ガラス基板４１に全面的に形成されている。図１０Ｃから図１０Ｆは、非電極部分４１Ｂの寸法Ｌと２つの電極４２Ａ、４２Ｂの間の寸法ｄとの比Ｌ／ｄを変化させる場合の例を示す。

　図１０Ｃ及び図１０Ｄの例では、２つの電極４２Ａ、４２Ｂの間の寸法ｄは比較的大きく、寸法Ｌに略等しい。図１０Ｃの場合、２つの電極間に印加する電圧をＶ＝０とする。この場合、ＬＥＤ（発光素子）からの光３の大部分は反射し、一部分は透過分散する。従って、部屋は暗くなる。図１０Ｄの場合、２つの電極間に電圧Ｖ＝Ｖを印加する。この場合、ＬＥＤ（発光素子）からの光３は、電極が設けられている部分では、透過し、電極が設けられていない部分では、大部分は反射し、一部分は透過分散する。従って、部屋は間接照明により明るくなる。

　図１０Ｅ及び図１０Ｆの例では、２つの電極４２Ａ、４２Ｂの間の寸法ｄは比較的小さく、寸法Ｌより十分に小さい。図１０Ｅの場合、２つの電極間に印加する電圧をＶ＝０とする。この場合、ＬＥＤ（発光素子）からの光３の大部分は反射する。従って、部屋は暗くなる。図１０Ｆの場合、２つの電極間に電圧Ｖ＝Ｖを印加する。この場合、ＬＥＤ（発光素子）からの光３は、電極が設けられている部分では、透過し、電極が設けられていない部分では、反射する。従って、部屋は間接照明により明るくなる。

　図１０Ｇから図１０Ｉは、２つの電極４２Ａ、４２Ｂは、全面的に形成され、非電極部分を設けなない例を示す。これらの例では、一方の電極の一部の領域において、電極間の間隙が狭くなっており、それ以外の領域では、電極間の間隙の寸法ｄは通常の大きさである。即ち、これらの例では、電極が設けられていない部分を設ける代わりに、２つの電極間の間隙が狭い領域を設ける。電極間の間隙の寸法ｄが狭くなっている領域の寸法をＬとする。

　図１０Ｇ及び図１０Ｈの例では、２つの電極４２Ａ、４２Ｂは、ガラス基板４１の内面に、それぞれ全面的に設けられている。しかしながら、一方のガラス基板４１の厚さが一部分において大きくなっている。ガラス基板４１の厚さが大きい領域４１Ｅでは、液晶４３の厚さ、及び、２つの電極間の間隙が小さくなっている。

　図１０Ｇの場合、２つの電極間に印加する電圧をＶ＝０とする。この場合、ＬＥＤ（発光素子）からの光３の大部分は反射する。従って、部屋は暗くなる。図１０Ｈの場合、２つの電極間に電圧Ｖ＝Ｖ_０を印加する。ＬＥＤ（発光素子）からの光３は、電極間の間隙が狭くなっている領域にて、大部分は透過する。従って、部屋は間接照明により明るくなる。

　図１０Ｉの例では、上側の電極４２Ａは上側のガラス基板４１の内面に形成されているが、下側の電極４２Ｂは、下側のガラス基板４１の内部に形成されている。２つのガラス基板の厚さ及び２つの基板の間に挿入された液晶４３の厚さは一定であるが、２つの電極間の間隙は一定ではない。この場合、２つの電極間に電圧Ｖ＝Ｖ_０を印加すると、ＬＥＤ（発光素子）からの光３は、電極間の間隙が狭くなっている領域にて、大部分は透過する。従って、部屋は間接照明により明るくなる。

　今まで説明してきたレンズの働きを示す液晶パネルでは、文献に示されているような焦点距離のはっきりしたレンズである必要はなく、漠然と集光あるいは拡散の働きを示せばよいので、本実施例のように不均一に電極を構成すれば、電極の強さも不均一となり、その結果として、液晶材料の屈折率など光学特性が不均一になり、光の収束や拡散が行われる。

　図１１は、液晶パネルをＬＥＤ（発光素子）基板に対して傾けて配置した本発明の実施例で、傾けてあることにより、ＬＥＤ（発光素子）からの光３は液晶パネル４の表面で反射して５Aのようになるとともに透過光は５Bのように、また、散乱光は５Cのようになり、ＬＥＤ（発光素子）２からの光３は極めて広い範囲に広がり、効率的に空間を照らすことができる。

　図１２は、二枚の液晶パネル４Ａ、４Ｂをそれぞれ反対の方向に傾けて配置した本発明の実施例で、左右の空間に対してバランスをとって幅広く照明することができる。さらに、多数の液晶パネルをこのように配置し、それぞれの液晶パネルへの電気信号を制御することにより、きわめて多様な照明が可能となる。

　図１３Ａから図１３Ｃは、図１０Ａに示した実施例の変形例であり、様々な形状の電極構造の例を示す。これらの電極構造は、電極部分４２Ａと非電極部分４１Ｂからなる。本例の電極は、ガラス基板に透明電極を全面的に形成し、所定の形状の部分にて透明電極を除去することにより得られる。非電極部分４１Ｂは、円形、三角形等の形状からなり、様々な寸法を有する。透明電極のパターンは、既知のリソグラフィ技術を用いて製造することができる。ＬＥＤ（発光素子）の配置は自由である。例えば、比較的大きな寸法の円形の非電極部分４１Ｂの真上に、ＬＥＤ（発光素子）を配置してもよい。

　図１４Ａ及び図１４Ｂは、更に、様々な形状の電極構造の例を示す。これらの電極構造は、電極部分４２Ａと非電極部分４１Ｂからなる。本例の電極構造は、ガラス基板上の所定の形状の領域に、透明電極を形成することにより得られる。電極部分４２Ａのうち、比較的面積が大きい領域の真上にＬＥＤ（発光素子）の配置を配置することが好ましい。

　図１５Ａから図１５Ｃを参照して、電極構造の詳細を説明する。液晶パネル４は、ＩＴＯなどの透明導電膜からなる電極４２Ａ、４２Ｂを設けた二枚の平行なガラスの基板４１の間に液晶材料４３を封入して構成する。

　これらの例において、上側の電極４２Ａが制御電極、下側の電極４２Ｂは共通電極である。上側の制御電極４２Ａは、互いに分離された複数の電極によって構成されている。即ち、制御電極４２Ａは、非電極部分４１Ｂによって分離されている。これらの複数の制御電極４２Ａのうちの任意の電極と、下側の共通電極４２Ｂの間に、所望の電圧が印加される。

　図１５Ａの例では、共通電極４２Ｂは、下側のガラス基板４１の内面に全面的に形成されている。図１５Ｂの例では、共通電極４２Ｂと制御電極４２Ａは同一形状を有し、且つ、両者は対応した位置に配置されている。図１５Ｃの例では、共通電極４２Ｂと制御電極４２Ａは同一形状を有し、且つ、両者は互いにずれた位置に配置されている。このように、共通電極４２Ｂと制御電極４２Ａの相対的な位置は自由に設定可能である。

　図１３Ａから図１３Ｃ、図１４Ａから図１４Ｃに示した電極は、制御電極であるが、それに対する共通電極は、任意に設定してよい。但し、共通電極４２Ｂと制御電極４２Ａの間の相対的な位置関係によって、液晶分子の向きが変化するため、透過光の光量及び性質が変化する。

　図１６Ａは基板１に装着されたＬＥＤ（発光素子）２の平面構成を示し、図１６Ｂは、このＬＥＤ（発光素子）２の下に配置された液晶パネルの制御電極の形状を示す。制御電極４２Ａは内側の円形部分４２Ａ－１と外側のリング状部分４２Ａ－２からなる。円形部分とリング状部分は、非電極部分４１Ｂを介して互いに分離しており、それぞれ独立的に電圧が印加される。

　図１６Ｃから図１６Ｆを参照して、図１６Ａ及び図１６Ｂに示したＬＥＤ照明装置の動作を説明する。図１６Ｃは、基板１に装着されたＬＥＤ（発光素子）２の断面構成を示す。図１６Ｄから図１６Ｆは、基板１に装着されたＬＥＤ（発光素子）２と液晶パネル４の断面成を示す。

　図１６Ｄは、印加電圧がゼロの場合である。ＬＥＤ（発光素子）２からの光は、液晶パネルによって散乱し、殆ど透過しない。図１６Ｅは、制御電極の円形部分４２Ａ－１とリング状部分４２Ａ－２の両者に電圧を印加した場合である、ＬＥＤ（発光素子）２からの光は、液晶パネルを透過する。図１６Ｆは、円形部分４２Ａ－１に電圧を印加し、リング状部分４２Ａ－２の印加電圧がゼロの場合である。ＬＥＤ（発光素子）２からの光は、円形部分４２Ａ－１を透過し、リング状部分４２Ａ－２にて散乱する。

　図１７Ａは、基板１に装着されたＬＥＤ（発光素子）２を示す。ＬＥＤ２は、リング状に配置されている。図１７Ｂは、印加電圧がゼロの場合を示し、ＬＥＤからの光は液晶パネルにて散乱している。図１７Ｃは、印加電圧がゼロでない場合を示し、ＬＥＤからの光は液晶パネルを透過している。

　図１８Ａは、通常の液晶パネルに印加する電圧を示す。表示装置に用いられる液晶パネルでは、所定の大きさの電圧を正負交互に印加する。図１８Ｂ及び図１８Ｃは、本発明によるＬＥＤ照明装置に用いる液晶パネルに印加する電圧の例を示す。本例では、時間ｔ_ｖにおいて正の電圧を印加し、次に、時間ｔ_０において印加電圧をゼロとする。次に、時間ｔ_ｖにおいて負の電圧を印加し、次に、時間ｔ_０において印加電圧をゼロとする。これを繰り返す。１秒間に印加する正の印加電圧の回数を周波数と称することとする。周波数は、数十から数百サイクルであってよい。

　１周期Ｔ内にて、正又は負の電圧を印加している時間の割合をデューティと称することとする。例えば、図１８Ａの例では、デューティが１、図１８Ｂの例では、デューティが０．５、図１８Ｃの例では、デューティが０．２５である。デューティと周波数を任意の値に設定することにより、照明装置より所望の光量の光を出力することができる。図１８Ｄは、印加電圧をゼロにした場合である。ＬＥＤからの光は、液晶パネルによって散乱する。

　図１９Ａは、液晶パネルに印加する電圧と、光の透過量の関係を示す。電圧がＶ_０では、光の透過量は極めて小さいが、電圧をＶ_Ｍに増加させると、光の透過量が増加する。電圧をＶ_Ｓより大きくすると、光の透過量は最大となる。液晶ディスプレイ装置では、光を遮断するか、又は、透過させるかのどちらかであり、印加電圧は、Ｖ＝０又はＶ_０とＶ＝Ｖ_Ｓのいずれかを用いる。即ち、中間の値Ｖ_Ｍは用いない。

　図１９Ｂは、本発明の照明装置の液晶パネルに印加する電圧の例を示す。本例では、時間ｔ_Ｈにおいて正の電圧Ｖ_Ｈを印加し、次に、時間ｔ_Ｌにおいて正の電圧Ｖ_Ｌを印加する。次に、時間ｔ_Ｈにおいて負の電圧Ｖ_Ｈを印加し、次に、時間ｔ_Ｌにおいて負の電圧Ｖ_Ｌを印加する。これを繰り返す。１周期は時間（ｔ_Ｈ＋ｔ_Ｌ）×２である。電圧Ｖ_Ｈ及びＶ_Ｌを任意の値に設定することができる。高電圧Ｖ_Ｈは、図１９ＡのグラフのＶ_Ｓでよいが、低電圧Ｖ_Ｌは、図１９ＡのグラフのＶ_０又はＶ_Ｍでよい。こうして本例の液晶パネルでは、時間ｔ_Ｈでは、ＬＥＤ（発光素子）２からの光の大部分を透過させ、時間ｔ_Ｌでは、ＬＥＤ（発光素子）２からの光の一部分のみを透過させ、大部分を散乱させる。ここでは、印加電圧の大きさを変化することにより、液晶の光透過率を変化させる場合を説明した。一般に、印加電圧を制御することにより、液晶の光学特性が変化する。ここに、光学特性は、光の透過率、屈折率、減衰率等を含む。本発明では、印加電圧を制御することによって、液晶の光学特性を所望の態様に変化させる。それによって、ＬＥＤ照明装置からの照明光を所望の態様に変化させることができる。

　図２０Ａから図２０Ｅを参照して説明する。図６に２枚の液晶パネルを積層した例を示した。本例の液晶パネルでは、２枚の液晶パネルを積層したのと同様な構造を有する。本例の液晶パネルは、三枚の平行なガラス基板４１１、４１２、４１３を有する。上側のガラス基板４１１の内面には、第１の制御電極４２１が形成され、中間のガラス基板４１２の両面には共通電極４２２、４２３が形成され、下側のガラス基板４１３の内面には、第２の制御電極４２４が形成されている。これらの三枚の平行なガラス基板の間に液晶４３１、４３２がそれぞれ封入されている。

　第１の制御電極４２１と共通電極４２２によって第１の液晶パネルが構成され、第２の制御電極４２４と共通電極４２３によって第２の液晶パネルが構成される。第１の液晶パネルに印加する電圧をＶ_１、第２の液晶パネルに印加する電圧をＶ_２とする。

　図２０Ｂは、２つの液晶パネルの印加電圧を共にゼロとする場合を示す。即ち、Ｖ_１＝Ｖ_２＝０とする。この場合、ＬＥＤ（発光素子）２からの光３の大部分は反射し、散乱する。図２０Ｃは、第１の液晶パネルの印加電圧Ｖ_１がＶ_１＝Ｖ_Ｓ、第２の液晶パネルの印加電圧がＶ_２＝０又はＶ_０の場合である。この場合、ＬＥＤ（発光素子）２からの光３の大部分は第１の液晶パネルを透過するが、透過した光の大部分は、第２の液晶パネルを反射し、散乱する。

　図２０Ｄは、２つの液晶パネルの印加電圧を共にＶ_Ｍの場合を示す。即ち、Ｖ_１＝Ｖ_２＝Ｖ_Ｍとする。この場合、ＬＥＤ（発光素子）２からの光３の約半分は第１の液晶パネルを透過し、透過した光の約半分は第２の液晶パネルを透過する。このように、２つの液晶パネルの印加電圧の各々を適当に変化させることにより、所望の照明光を得ることができる。

　図２０Ｅは、本発明の積層型の液晶パネルの更に他の例を示す。本例の液晶パネルでは、図１５Ａから図１５Ｃに示した制御電極を用いる。図２０Ａの例と比較して、第１の制御電極４２１と第２の制御電極４２４が分離型である点が異なる。制御電極４２１、４２２は、非電極部分４１１Ｂ、４１３Ｂによって、それぞれ複数の電極に分離され、各電極には独立的に電圧を印加することができる。

　図２１Ａは、液晶パネルの他の例の断面構成を示す。本例の液晶パネルは、２枚のガラス基板４１と、その間に封入された液晶４３を有する。ガラス基板４１の間の空間はセパレータ４４によって複数の領域に分割されている。各領域には、それぞれ異なる液晶４３が封入されている。ガラス基板４１の内面には、共通電極４２１と制御電極４２２が設けられている。制御電極４２２は、各領域毎に設けられている。図２１Ｂは、本例の液晶パネルの制御電極の平面構成を示す。これらの複数の制御電極４２２のうちの任意の電極と、共通電極４２１の間に、所望の電圧が印加される。図１５Ａから図１５Ｃに記載した液晶パネルでは一種類の液晶しか用いることができないが、本例の液晶パネルは、互いに異なる複数の種類の液晶を使用することができる。図２１Ｃは、本例の液晶パネルの平面構成を示す。本例の液晶パネルは、互いに異なる液晶パネルを平面的に組み合わせたものと同等の機能を有する。図２１Ｂの例では、異なる液晶パネルをストライブ状に配列したものと同等であり、図２１Ｃの例では、異なる液晶パネルをタイル状に配列したものと同等である。

　図２１Ｄから図２１Ｆは、図２１Ｂ又は図２１Ｃに示す液晶パネルに組み込まれる液晶パネルユニットの他の例を示す。本例では、制御電極の構造が互いに異なる液晶パネルを組み合わせる。図２１Ｄ及び図２１Ｅの例では、上側の制御電極をフレネルレンズ構造とし、図２１Ｆの例では通常の平面的な制御電極を用いる。尚、図２１Ｄ及び図２１Ｅの例では、フレネルレンズの向きは互いに異なる。これらの液晶パネルを図２１Ｃの各液晶パネル４Ａ、４Ｂとして組み込むことにより、所望の照明光を提供することができる。

　図２２Ａから図２２Ｃを参照して本発明の液晶パネルの更に他の例を説明する。図２２Ａは、本例の液晶パネルの断面構成を示す。本例の液晶パネルは、図２１Ａの液晶パネルと同様であってよい。本例では、ゲスト・ホスト型の液晶４３を用いる。ゲスト・ホスト型の液晶４３では、吸収色の異なる色素が添加されている。即ち、本例では、互いに異なる複数の種類の液晶を使用する代わりに、互いに異なる色素を添加したゲスト・ホスト型の液晶４３を用いる。図２２Ｂは、三原色ＲＧＢの光を提供する液晶を組み合わせる。第１の液晶４３１は、赤色光を提供し、第２の液晶４３２は緑色光を提供し、第３の液晶４３３は青色光を提供する。図２２Ｃは、このように、三原色ＲＧＢの光を提供する液晶パネルの平面構成を示す。

　図２３は、格子状の液晶パネルの例を示す。本例の液晶パネルは、正方形又は矩形の液晶パネルを多数個、配列したものである。図示のように、２枚のガラス基板の間の空間は、セパレータ４４によって複数の領域に分割されている。各領域に、制御電極４２３が配置されている。こうして多数の正方形又は矩形の液晶パネルが生成される。本例の液晶パネルを構成する１個の液晶パネルの寸法は、極めて小さく、例えば、１ｃｍ以下でよく、数ミリメートルであってよい。

　図２４は、図７の電球型ＬＥＤランプに、図２１Ａまたは図２２Ａの液晶パネルを適用したものである。各液晶パネルには独立的に所望の電圧を印加することができる。

　以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。

産業上の利用の可能性

　本発明にかかるＬＥＤ照明装置は、工業的に生産は容易で、また家庭および事業所を含めて、需要は広く、産業上の価値は非常に大きい。特に、ディスプレイに使用する液晶パネルは、偏光板や液晶基板の配向処理など高度の技術を必要とするが、本発明の液晶パネルは偏光板や配向処理を必ずしも必要とせず、製造が極めて容易であるので、安価に生産でき、普及の可能性は極めて高い。

Claims

ＬＥＤと、該ＬＥＤの点灯を駆動するＬＥＤ駆動回路と、上記ＬＥＤからの光の光路に配置された液晶パネルと、該液晶パネルに供給する印加電圧を制御する液晶駆動回路と、とを有し、
　前記ＬＥＤ駆動回路と上記液晶駆動回路は、共通の電源からの電圧が供給され、
　前記印加電圧は、正と負の値を含む周期的波形を有し、
　上記液晶駆動回路によって、上記周期的波形の形状又は周波数を変化させることによって、前記液晶パネルの光学特性を所望の態様に変化させることができるように構成されていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記周期的波形は、上記液晶の光透過率が最大となる電圧部分と、上記液晶の光透過率がゼロとなる電圧部分と、上記液晶の光透過率が中間値になる電圧部分と、を含むことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記周期的波形の１周期内において、上記液晶の光透過率が最大となる電圧部分の時間的割合をデューティと称するとき、該デューティは、上記液晶駆動回路によって、所望の値に変化させることができることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記液晶パネルは、積層された複数の液晶パネル部分によって構成されており、各液晶パネル部分に印加される電圧は、前記液晶駆動回路によって互いに独立的に制御されることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項４記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記液晶パネルは、２つの外側の基板と少なくとも１つの内側の基板を含む複数の基板と、該基板の間に挿入された液晶材料と、を有し、上記外側の基板の内面に電極が設けられ、上記内側の基板の両面に電極が設けられていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記液晶パネルは、平面に沿って並べられた複数の液晶パネル部分によって構成されており、各液晶パネル部分に印加される電圧は、前記液晶駆動回路によって互いに独立的に制御されることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項６記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記複数の液晶パネル部分は、２つの基板の間に設けられたセパレータによって分離されていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項４又は６記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記複数の液晶パネル部分の基板の各々には、互いに異なるマイクロレンズ又はフレネルレンズが形成されていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項４又は６記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記液晶パネルはゲスト・ホスト型の液晶によって構成され、前記複数の液晶パネル部分の各々には、互いに異なる色を発光する色素が添加されていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　前記液晶パネルは２つの平行な基板と、該基板の間に封入された液晶材料と、上記基板に設けられた電極と、を有し、上記電極は制御電極と共通電極を有し、上記制御電極は互いに分離された複数の電極部分によって構成され、各電極部分と共通電極に間に印加する電圧は、互いに独立的に制御されることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１０記載のＬＥＤ照明装置において、
　上記ＬＥＤ、上記ＬＥＤ駆動回路と、上記液晶パネル、及び、上記液晶駆動回路は、電球ランプ型ガラス容器に封入されていることを特徴とするＬＥＤ照明装置。
　請求項１記載のＬＥＤ照明装置において、
　上記液晶パネルは、フィルム型液晶パネルによって構成され湾曲形状を有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
ＬＥＤを用いた照明装置において、ＬＥＤの前部に液晶パネルを配置したことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
上記液晶パネルはマイクロレンズを備えたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
上記液晶パネルはフレネル構造を備えたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルは電極に不均一部を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルの液晶はポリマー分散型液晶であることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルは複数のセクションからなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルは異なる構造のセクションからなることを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルは複数積層したことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルはリモコン信号受信部を備えたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
　上記液晶パネルは人感センサーを備えたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明装置。