WO2013014809A1 - Led照明装置及び光学素子 - Google Patents

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Abstract

 光源の配置や数に左右されることなく、またコスト高を招くことなく、良好な配 光特性を有するLED照明装置及びそれに用いる光学素子を提供する。方形状のLEDチップLCa~LCdから出射された光の各々のパターンPT1~PT4は方形状であるが、位相角を互いに異ならせているので、各光のパターンが中心回りに回転して重なるようになり、これにより円形に近い配光特性を得ることが出来るため、光学素子に散乱部等を設ける必要もなく、金型の製造が容易になる。

Description

LED照明装置及び光学素子
 本発明は、LED照明装置及び光学素子に関する。
 近年、LEDを搭載したLED照明装置が注目されている。ところで、一般的なLEDは光量が比較的低いので、LEDを複数個用いることでLED照明装置の照度を高めることが行われている。しかるに、複数のLEDを用いる場合、その配光特性をどのようにするかという問題がある。
 特許文献1には、光源の配置が回転非対称な場合であっても、回転対称な配光特性を得ることができる照明装置が開示されている。
特開2011-103190号公報
 しかしながら、特許文献1の照明装置では、レンズの出射面に凹凸を設けることで、拡散機能を持たせているため、レンズを成形する金型の加工が比較的困難であり、コスト高を招いている。又、配光特性が、光源の配置や数に左右されるという問題もある。
 本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光源の配置や数に左右されることなく、またコスト高を招くことなく、複数光源の像が映る事を防止し、スポットを円形に近付けた良好な配光特性を有するLED照明装置及びそれに用いる光学素子を提供することを目的とする。
 請求項1に記載のLED照明装置は、複数の方形状のLEDチップと、前記LEDチップの光放出側に配置された光学素子とを有し、前記LEDチップの位相角を全て異ならせたことを特徴とする。
 本発明に原理について説明する。まず、「位相角」について定義する。方形状のLEDチップの1つを基準チップとする。基準チップは、基準点と基準辺を有する。具体的には、図1に示すように、1つのLEDチップLCaを位相角0度の基準チップとし、その上側の辺をX軸と一致させるようにXY直交座標系を定め、これを基準辺SEとする。また、基準辺SEに接する左側の角部を基準点SPとする。
 次に、LEDチップLCaと比較するLEDチップLCbを選択し、一方を回転させず平行にシフトすることで、それぞれ中心O,O’同士を重ね合わせたとき、LEDチップLCaの基準辺SEの上方(Y軸方向正側)に位置するLEDチップLCbの角部を対比点CPとし、対比点CPから右側(X軸方向正側)に延在する辺を対比辺CEとすると、XY座標系でのX軸に対する対比辺CEの角度を「位相角」という。ここで、基準辺SEと対比辺CEとの相対角度θを、「相対位相角」という。相対位相角が0度である場合、LEDチップ同士の位相角は等しいこととなる。図1の例では、LEDチップLCaの位相角が0度であるから、LEDチップLCbの位相角は45度になる。
 図2(a)は、比較のために示すLEDチップの配置例である。図2(a)では、4つのLEDチップLCa~LCdの位相角は、いずれも0度である。このとき、図2(a)のLEDチップLCa~LCdから出射した光の投影パターンを示すと、図2(b)のようになる。つまり、方形状のLEDチップLCa~LCdから出射された光の各々のパターンPT1~PT4は方形状になるため、これを重ね合わせた場合にも略方形状となり、円形の配光特性が所望される用途に適していないこととなる。
 図3(a)は、本発明の一実施形態にかかるLEDチップの配置例である。図3(a)では、4つのLEDチップLCa~LCdの位相角を、それぞれ異ならせている。かかる場合、図3(a)のLEDチップLCa~LCdから出射した光の投影パターンを示すと、図3(b)のようになる。つまり、方形状のLEDチップLCa~LCdから出射された光の各々のパターンPT1~PT4は方形状であるが、位相角を互いに異ならせているので、各光のパターンが中心回りに回転して重なるようになり、これにより円形に近い配光特性を得ることが出来るため、光学素子に散乱部等を設ける必要もなく、金型の製造が容易になる。尚、例えばLEDチップを配置したときに、位相角の変化は時計回りに一様であっても良いし、ランダムでもよい。
 請求項2に記載のLED照明装置は、請求項1に記載の発明において、前記LED照明装置の配光角は5度~40度であることを特徴とする。配光角が5度~40度と狭めの配光角であると、複数のLEDの像が、よりスポットに映り込んでしまいやすくなる。しかし、本発明によれば、そのような狭めの配光角においても複数のLEDの像の映り込みを防止でき、円形に近い良好なスポットを得ることができる。
 請求項3に記載のLED照明装置は、請求項1又は2に記載の発明において、前記LEDチップの数がN個であり、1番目のLEDチップの位相角を0度としたときに、n番目のLEDチップの位相角θnは、以下の式で決定されることを特徴とする。
 θn=(90/N)×(n-1)   (1)
 (1)式を満たすように位相角を設定すれば、各LEDチップから出射された光のパターンは、中心回りに等角度ずつ回転して重なるので、より点対称に近い配光パターンを得ることができる。
 請求項4に記載のLED照明装置は、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の発明において、前記LEDチップの数は、2又は4以上であることを特徴とする。より点対称に近い配光パターンを得る為には、LEDチップの数が多いことが望ましいが、2個でも効果がある。
 請求項5に記載のLED照明装置は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発明において、複数の前記LEDチップの中心は、同一円上に配置されていることを特徴とする。これにより点対称に近い配光パターンを得ることができる。
 請求項6に記載のLED照明装置は、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の発明において、複数の前記LEDチップの中心は、格子上に配置されていることを特徴とする。これにより照度バラツキの少ない配光パターンを得ることができる。
 請求項7に記載のLED照明装置は、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の発明において、前記光学素子は、少なくとも前記LEDチップ及び前記LEDチップより内側の領域全体を覆う円盤部を有することを特徴とする。これにより複数のLEDチップからの光をより均一に混合でき、複数のLEDチップかの像の映り込みをより防止できるようになる。更に、影の影響等、複数のLEDチップから照射される光のロスを少なくすることができ、より照度の高いLED照明装置を得ることができる。また、後述する各LEDチップに対向して配置されたレンズ部の半径rを大きくすることが可能となるため、配光角5度~40度といった狭めの配光角に適したLED照明装置を得ることが可能となる。
 請求項8に記載のLED照明装置は、請求項7に記載のLED照明装置において、前記光学素子は前記円盤部よりも前記LEDチップ側に、各LEDチップに対向して配置されたレンズ部を有し、前記円盤部の半径R(mm)と、前記レンズ部の前記円盤部と接している部分での半径r(mm)とは、以下の式を満たすことを特徴とする。
 0.2 ≦ r/R ≦ 0.5   (2)
 (2)式を満たすようにすれば、光の利用効率を増大することができる。特に、配光角が5度~40度といった狭めの配光角を得るためには、レンズ部の半径rを大きく取ることが望ましい。しかし、レンズ部の半径rの大きさは円盤部のRで制限されてしまうため、これらの関係からr/Rの数値範囲が得られる。配光角が5度~40度と、配光を狭めにした場合、r/Rの関係は概ね(2)式の範囲内に含まれる。
 請求項9に記載のLED照明装置は、請求項8に記載のLED照明装置において、前記Rの値が、12.5mm以上、25mm以下であることを特徴とする。
 既存の、特にダウンライト照明にLED照明装置を適用しようとする場合、Rの値が12.5mm以上、25mm以下であることが好ましい。
 請求項10に記載のLED照明装置は、請求項8又は9に記載の発明において、前記レンズ部の側面は、連続面となっていることを特徴とする。前記レンズ部の側面が不連続面となっている場合に比べ、更に光の利用効率を増大することができる。
 請求項11に記載のLED照明装置は、請求項8乃至10のいずれか1項に記載の発明において、前記レンズ部の前記LEDチップ側の中央は窪んでいることを特徴とする。これにより、LEDチップから照射される光量のより多くをレンズ部に取り込むことが可能となり、光量のロスを減らすことができる。更に、窪みの奥をレンズ形状とすることで、光源から放射された光の中央部分に対し屈折作用を持たせることも可能となり、配光をより狭くすることが可能となる。また、光が入射する面をLEDチップから離すことにより、干渉を回避する、熱の影響を受けにくくするなどの効果も得られる。更に、また、窪みがある事でレンズ部の軸上厚が薄くなり、成形性を向上させる効果もある。
 請求項12に記載の光学素子は、請求項8乃至11のいずれか1項に記載のLED照明装置に用いられ、円盤部と、前記円盤部よりも前記LEDチップ側に各LEDチップに対向して配置されるレンズ部とを有し、前記円盤部と前記レンズ部とが一体的に成形されたことを特徴とする。
 請求項13に記載のLED照明装置は、4つ以上の方形状のLEDチップと、前記LEDチップの光放出側に配置された光学素子とを有し、前記LEDチップの半数以上の位相角を異ならせたことを特徴とする。請求項1に規定するように、全てのLEDチップの位相角を変えなくても、半数以上の位相角を変えることで、複数のLEDの像の映り込みはかなりの程度改善される。4つのLEDチップがあった場合、例えば、位相角をA度、B度、C度、C度とすれば、半数以上の位相角を異ならせたとみなせる。5つのLEDチップがあった場合は、例えば、位相角をA度、B度、C度、C度、C度とすれば、半数以上の位相角を異ならせたとみなせる。尚、好ましくは1つのLEDチップのみ位相角が他のLEDチップと同じであることであり、更に好ましくは、やはり全てのLEDチップの位相角が異なることである。
 本発明に係るLED(Light Emitting Diode)照明装置は、方形状のLEDチップと、光学素子と、を有するものである。「方形」とは正方形、長方形のいずれも含む。各LEDチップの形状は、同一もしく類似であると好ましい。
 LEDとしては、様々なものを用いることが出来るが、白色LEDが好ましく用いられる。
 白色LEDとしては、青色LEDチップと青色LEDチップから発せられた青色光線によって黄色に発光するYAG蛍光体等の蛍光体を組み合わせたものが好ましく用いられるが、青色LEDチップ、緑色LEDチップ及び赤色LEDチップとを組み合わせて白色光を形成する白色LEDであってもよい。白色LEDとしては、例えば特開2008-231218号公報に記載されたものを用いることができるが、これに限られない。
 白色LEDは、具体的には、LEDチップと、LEDチップを覆うようにしてその上に形成された蛍光体層から構成されていてもよい。LEDチップは、第1の所定波長の光を出射するものであり、本実施の形態においては青色光を出射するようになっている。但し、本発明のLEDチップの波長及び蛍光体の出射光の波長は限定されず、LEDチップによる出射光の波長と、蛍光体による出射光の波長とが補色関係にあり合成された光が白色光となる組合せであればものであれば、使用可能である。
 なお、このようなLEDチップとしては、公知の青色LEDチップを用いることができる。青色LEDチップとしては、InxGa1-xN系をはじめ既存のあらゆるものを使用することができる。青色LEDチップの発光ピーク波長は440~480nmのものが好ましい。また、LEDチップの形態としては、基板上にLEDチップを実装し、そのまま上方または側方に放射させるタイプ、又は、サファイア基板などの透明基板上に青色LEDチップを実装し、その表面にバンプを形成した後、裏返して基板上の電極と接続する、いわゆるフリップチップ接続タイプなど、どのような形態のLEDチップでも適用することが可能である。
 蛍光体層は、LEDチップから出射される第1の所定波長の光を第2の所定波長に変換する蛍光体を有している。後述する実施の形態では、LEDチップから出射される青色光を黄色光に変換するようになっている。
 このような蛍光体層に用いられる蛍光体は、Y、Gd、Ce、Sm、Al、La及びGaの原料として酸化物、又は高温で容易に酸化物になる化合物を使用し、それらを化学量論比で十分に混合して原料を得る。又は、Y、Gd、Ce、Smの希土類元素を化学量論比で酸に溶解した溶解液を蓚酸で共沈したものを焼成して得られる共沈酸化物と、酸化アルミニウム、酸化ガリウムとを混合して混合原料を得る。これにフラックスとしてフッ化アンモニウム等のフッ化物を適量混合して加圧し成形体を得る。成形体を坩堝に詰め、空気中1350~1450℃の温度範囲で2~5時間焼成して、蛍光体の発光特性を持った焼結体を得ることができる。
 LEDは、高出力LEDであることが好ましい。ここで、高出力LEDとしては、出力が0.5ワット以上のLEDにより構成することができる。
 LEDチップの数がN個であり、1番目のLEDチップの位相角を0度としたときに、n番目のLEDチップの位相角θnは、以下の式で決定されると好ましい。
 θn=(90/N)×(n-1)   (1)
 LEDチップの数は、2又は4以上であると好ましい。
 複数のLEDチップの中心は、同一円上に配置されていると好ましい。或いは、複数のLEDチップの中心は、格子上に配置されていると好ましい。
 光学素子は、LEDチップの光放出側に配置されており、好ましくはLEDチップ及びLEDチップより内側の領域全体を覆う円盤部を有することが好ましい。さらに、円盤部よりもLEDチップ側に、各LEDチップに対向して配置されたレンズ部を有することが好ましい。円盤部の半径R(mm)と、レンズ部の円盤部と接している部分での半径r(mm)とは、以下の式を満たすと好ましい。
 0.2 ≦ r/R ≦ 0.5   (2)
 また、Rの値は、12.5mm以上、25mm以下であると好ましい。 
 レンズ部の入射面側は、図5のように中央が窪んでいると好ましい。窪んだ底は平面でもよいし凸レンズ状であってもよい。
 レンズは、プラスチックで構成されていると好ましい。レンズを構成するプラスチックとしては、例えばポリカーボネートを用いる。ポリカーボネートを用いることで、射出成形により製造でき、製造コストを大幅に低減させることができる。
 LED照明装置の配光角は5度~40度であると好ましい。
 LED照明装置から出射された光の強度を測定したときに、レンズの光軸上の光強度に対して、半分の光強度になる、光軸に対する角度を半値半角といい、その角度の2倍を半値全角という。本明細書で配光角と言うときは、半値全角をいう。
 LED照明装置を搭載した照明器具としては、室内や室外で用いられる、特に配光角が5度~40度のダウンライト用照明に好適であるが、それ以外の用途としては、一般照明用器具(レーザーポインター、インジケーターなど)、住宅用照明器具、オフィス用照明器具、店装・展示用照明器具、街路灯用照明器具、誘導灯器具及び信号装置、広告塔、照明用ポール、水中照明用ライト、ストロボ用ライト、スポットライト、懐中電灯、電光掲示板(サインボード)、調光器、自動点滅器、ディスプレイ等のバックライト、動画装置、照光式スイッチ、光センサ、医療用ライト、車載ライト等が挙げられる。
 本発明によれば、光源の配置や数に左右されることなく、またコスト高を招くことなく、複数のLEDチップの像の映り込みがない略円形状のスポットを得ることができ、良好な配光特性を有するLED照明装置及びそれに用いる光学素子を提供することができる。
位相角を説明するためのLEDチップの図である。 比較のために位相角が等しいLEDチップの配置例を示す図(a)及び各LEDチップから出射した光の投影パターンを示す図(b)である。 本発明の一実施形態にかかる、位相角を異ならせたLEDチップの配置例を示す図(a)及び各LEDチップから出射した光の投影パターンを示す図(b)である。 本実施形態にかかるLED照明装置を、出射面側から見た図である。 図4の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。 図5の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。 比較例の配光パターン(a)と実施例の配光パターン(b)を示す図である。 図3(a)と別の態様のLEDチップの配置例を示す図である。 図3(a)とさらに別の態様のLEDチップの配置例を示す図である。
 以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張され、実際の比率とは異なる場合がある。
 図4は、本実施形態にかかるLED照明装置を、出射面側から見た図である。図5は、図4の構成をV-V線で切断して矢印方向に見た図である。図6は、図5の構成をVI-VI線で切断して矢印方向に見た図である。本実施の形態にかかるLED照明装置は、中心同士が重ね合わされるように互いに固定された光学素子OEと光源部OSとを有している。
 図6に示すように、光源部OSは、円盤状の基板STと、基板上に配置されたLEDチップLCa~LCdとを有する。基板ST上に形成された不図示のパターンにより外部の電源に接続されたLEDチップLCa~LCdは、それらの中心が、基板STの中心Oを中心とする円上に、90度ずつ等間隔になるよう位置しており、異なる位相角(0度、45度、22.5度、67.5度)を有している。尚、別な言い方をすれば、LEDチップLCa~LCdの中心は格子上に位置している。
 光学素子OEは、プラスチックから一体的に形成されてなり、図5に示すように、円盤部OE1と、円盤部OE1のLEDチップ側に配置されたレンズ部LS1~LS4と、円盤部OE1の外周からレンズ部側に突出する周壁OE2とを有しており、よって光学素子OEを成形する金型の加工も容易である。円盤部OE1は、両面が平行であって、LEDチップLCa~LCdの内側領域全体の基板STを覆うように設けられている。周壁OE2は、LED照明装置の固定用に用いる。
 同一形状のレンズ部LS1~LS4は、LEDチップLCa~LCdの中心をそれぞれ通る光軸回りに点対称な先細凸形状(非球面であると好ましい)の側面LS1a~LS4aを、それぞれ有している。側面LS1a~LS4aは、図5の断面図で示すように連続的であって(曲率が不連続に変化する点を有さないことが好ましい)、円盤部OE1の表面と交差している。又、レンズ部LS1~LS4は、頂点側(LEDチップ側)に、各光軸回りに点対称に窪んだ窪みLS1b~LS4bを有している。窪みLS1b~LS4bを設けることで、LEDチップLCa~LCdから放射された光の多くを取り込むことができ(窪みの奥はレンズとして機能する)、配光を狭くする構造を与えている。尚、光源が半球のドーム状の場合など、干渉を回避する、熱的に離すなどの効果もある。また、窪みLS1b~LS4bを設ける事でレンズ部LS1~LS4の軸上厚を出来るだけ薄くし、成形性を向上させる効果もある。
 図4に示すように、円盤部OE1の半径R(mm)と、レンズ部LS1~LS4の半径r(mm)とは、以下の式を満たす。尚、円盤部OE1の外周が、多角形の場合、その半径Rは内接する円の半径とする。Rは12.5~25mmであると好ましい。
 0.2 ≦ r/R ≦ 0.5   (2)
 外部の電源から電力を供給されると、LEDチップLCa~LCdが発光し、その出射光は、円盤部OE1の対向面から入射した後、レンズ部LS1~LS4を透過して屈折することで、配光角5~40度で出射するようになっている。
 本発明者は、4つのLEDチップを含むLED照明装置において、R=17.18mm、r=5.77mm、r/R=0.34の実施例について検討した。配光角は40度、位相角は、0度、45度、22.5度、67.5度である。その配光パターンを図7(b)に示す。一方、比較例は、実施例と同様に4つのLEDチップを含み、配光角は40度、R=17.18mm、r=5.77mm、r/R=0.34であるが、位相角は全て0度とした。その配光パターンを図7(a)に示す。
 図7(a)、(b)を比較すると明らかであるが、図7(a)の配光パターンは正方形状である(図には明確に表れていないが、複数のLEDチップの像の映り込みも見られる)のに対し、図7(b)の配光パターンは円形に近くなり、照明装置としてより好適であることが分かった。
 上記実施形態では、LEDチップが4つの例を示したが、図8に示すようにLEDチップが5つの態様や、図9に示すようにLEDチップが6個の態様にも適用可能である。これらの場合、光学素子がレンズ部を5つ又は6つ有し、それぞれのLEDチップに対応することが好ましい。なお、図8,図9では、中央に配置したLEDチップの位相角θを0度とし、その周囲に配置した各LEDチップの位相角θは図示のとおりである。
 なお、本発明は、本明細書に記載の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、他の実施形態や変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や技術的思想から本分野の当業者にとって明らかである。
LCa~LCd LEDチップ
LS1a~LS4a 出射面
LS1b~LS4b 窪み
LS1~LS4 レンズ部
OE 光学素子
OE1 円盤部
OE2 周壁
OS 光源部
ST 基板

Claims (13)

  1.  複数の方形状のLEDチップと、
     前記LEDチップの光放出側に配置された光学素子とを有し、
     前記LEDチップの位相角を全て異ならせたことを特徴とするLED照明装置。
  2.  前記LED照明装置の配光角は5度~40度であることを特徴とする請求項1に記載のLED照明装置。
  3.  前記LEDチップの数がN個であり、1番目のLEDチップの位相角を0度としたときに、n番目のLEDチップの位相角θnは、以下の式で決定されることを特徴とする請求項1又は2に記載のLED照明装置。
     θn=(90/N)×(n-1)   (1)
  4.  前記LEDチップの数は、2又は4以上であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のLED照明装置。
  5.  複数の前記LEDチップの中心は、同一円上に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のLED照明装置。
  6.  複数の前記LEDチップの中心は、格子上に配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のLED照明装置。
  7.  前記光学素子は、少なくとも前記LEDチップ及び前記LEDチップより内側の領域全体を覆う円盤部を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のLED照明装置。
  8. 前記光学素子は前記円盤部よりも前記LEDチップ側に、各LEDチップに対向して配置されたレンズ部を有し、前記円盤部の半径R(mm)と、前記レンズ部の前記円盤部と接している部分での半径r(mm)とは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項7に記載のLED照明装置。
     0.2 ≦ r/R ≦ 0.5   (2)
  9.  前記Rの値が、12.5mm以上、25mm以下であることを特徴とする請求項8に記載のLED照明装置。
  10.  前記レンズ部の側面は、連続面となっていることを特徴とする請求項8又は9に記載のLED照明装置。
  11.  前記レンズ部の前記LEDチップ側の中央部は窪んでいることを特徴とする請求項8乃至10のいずれか1項に記載のLED照明装置。
  12.  請求項8乃至11のいずれ1項に記載のLED照明装置に用いられ、円盤部と、前記円盤部よりも前記LEDチップ側に各LEDチップに対向して配置されるレンズ部とを有し、前記円盤部と前記レンズ部とが一体的に成形されたことを特徴とする光学素子。
  13.  4つ以上の方形状のLEDチップと、
     前記LEDチップの光放出側に配置された光学素子とを有し、
     前記LEDチップの半数以上の位相角を異ならせたことを特徴とするLED照明装置。
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