JP2011065766A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】白熱灯等に比べＬＥＤを用いることで省エネを実現しつつ、配光特性の変更を迅速に行うことができるＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータＡＣＴに電力を供給すると、駆動軸ＡＣＴａが伸縮するので、駆動軸ＡＣＴａに連結された突出部ＦＬと共に、レンズＬＳが光軸方向に変位し、所定の位置に静止する。これによりＬＥＤチップＣＰとレンズＬＳとの間の距離が変化するので、そのレンズＬＳの光軸方向の位置に応じて、白色ＬＥＤ光源の配光特性が変化することとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）照明装置に関する。

近年、高輝度の白色ＬＥＤが開発され、その薄さ、長寿命、省電力効果などから、照明分野等で白熱灯に置き換わることが期待されている。しかるに、白色ＬＥＤを照明装置として用いる問題点として、白熱灯に比べ個々の光源の照度が小さいということがある。従って、白色ＬＥＤから出射された光の利用効率を高める必要があるといえる。

特許文献１には、ＬＥＤチップから出射された光をリフレクタとレンズで集光することにより、光の利用効率を高めた発光装置が開示されている。このような発光装置を監視カメラ用の照明装置等として用いることもできるが、かかる場合、長時間の発光でも消費電力が少なく省エネに効果がある。

特開２００９−１００４９号公報 特開２００５−９４０８０号公報

しかしながら、特許文献１の発光装置では、リフレクタとレンズの形状により配光特性が予め決まってしまうため、例えば監視カメラ用の照明装置として用いる場合、監視範囲全体を照明するのに適した配光特性とすると、不審物等を発見した場合など監視カメラをズームアップしたときに、撮像したい被写体からの反射光が少なくなり、露光量不足により被写体の撮影が困難となる恐れがある。一方、予め照射範囲を絞った配光特性とすると、照射範囲外の被写体を見逃す恐れがある。

更に、特許文献２には、発光部を移動させることで照射範囲を変更する構成が開示されている。しかしながら、発光部には配線が取り付けられているから、発光部と配線とを移動させるためには比較的駆動力の大きな駆動源が必要になる。また発光部の移動量が大きく移動時間もかかるため、移動する不審者等を発見したときなど迅速に監視カメラをズームアップして被写体を撮影しようとしても、照射範囲の変更が間に合わず撮影に必要な露光量を得ることができない恐れがある。

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、白熱灯等に比べＬＥＤを用いることで省エネを実現しつつ、配光特性の変更を迅速に行うことができるＬＥＤ照明装置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、
ＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源から出射される光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタで反射された光を透過するレンズと、
前記リフレクタに対して前記レンズを光軸方向に移動させる駆動手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記駆動手段が、前記リフレクタに対して前記レンズを光軸方向に移動させるので、前記ＬＥＤ光源が固定されていた場合でも照射光の配光特性を任意に且つ迅速に変更できる。又、前記ＬＥＤ光源は小型であるから、白熱灯等に比べ照射光の配光特性を変更するための前記レンズの移動量が少なくて済み、移動に必要な時間の低減と省エネを図ることができる。

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光源と前記リフレクタは互いに固定されていることを特徴とする。

請求項３に記載のＬＥＤ照明装置は、
ＬＥＤ光源と、
前記ＬＥＤ光源から出射される光を反射するリフレクタと、
前記リフレクタで反射された光を透過するレンズと、
前記ＬＥＤ光源に対して前記レンズを光軸方向に移動させる駆動手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記駆動手段が、前記ＬＥＤ光源に対して前記レンズを光軸方向に移動させるので、前記ＬＥＤ光源の配線等に邪魔されることなく照射光の配光特性を任意に且つ迅速に変更できる。又、前記ＬＥＤ光源は小型であるから、白熱灯等に比べ照射光の配光特性を変更するための前記レンズの移動量が少なくて済み、移動に必要な時間の低減と省エネを図ることができる。

請求項４に記載のＬＥＤ照明装置は、請求項３に記載の発明において、前記レンズと前記リフレクタは一体的に移動するようになっていることを特徴とする。

請求項５に記載のＬＥＤ照明装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記ＬＥＤ光源は、青色光を照射するＬＥＤチップの周囲に黄色蛍光体を配置していることを特徴とする。

本発明に係るＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明装置は、ＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源から出射される光を反射するリフレクタと、リフレクタで反射された光を透過するレンズと、前記レンズ又は前記リフレクタの少なくとも一方を移動する駆動手段とを有するものである。

ＬＥＤ光源としては、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。

リフレクタは、ＬＥＤ光源から出射される光を反射するものである。

リフレクタの素材としては、ガラスや、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート等の熱可塑性の樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂、シリコンなどがある。環状ポリオレフィンやポリカーボネート等の熱可塑性の樹脂を用いる場合、射出成形により製造できるため、製造コストを大幅に低減させることができる。これらの素材によってリフレクタの形状に成形し、その後、表面にアルミニウムや銀等の金属を蒸着して反射面を形成するようにしてもよい。

リフレクタは、ＬＥＤ光源から出射された光が、レンズに向かうように反射する反射面を有する。尚、ＬＥＤ光源の光軸とは、便宜上、ＬＥＤ光源のＬＥＤチップの平面に対して垂直な線としてよい。

また、リフレクタの反射面は、ＬＥＤ光源から光軸直交方向に離れるに従って光軸直交方向に対する傾きが大きくなっていく形状であることが好ましい。このような反射面としては、例えば以下の２種類の例を挙げることが出来る。
１） 当該反射面が、曲面からなるもの。
２） 当該反射面が、複数の平面の組み合わせからなるもの。

１）の反射面が曲面からなるものは、反射面に接する接線を引いた際に、ＬＥＤ光源から光軸方向に離れるに従って、当該接線と光軸とがなす角度がより小さくなっていくような曲面であることが好ましい。

２）の反射面が複数の平面の組み合わせからなるものは、ＬＥＤ光源から光軸に離れるに従って、平面と光軸とがなす角度が小さくなっていくように複数の平面を組み合わせることが好ましい。

ＬＥＤ光源から射出される光は、指向性があまりないため、光軸に対してほぼ垂直方向に射出される光も存在する。その様な光を光軸方向に略平行になるように反射すれば、更に光の利用効率を向上させることができるため好ましい。

また、ＬＥＤ光源から出射される光は、光軸方向に射出される光から光軸に対して垂直な方向に射出される光まで多岐に渡るが、光軸に対して垂直な方向に射出される光は、上述したように、反射面によってＬＥＤ光源の光軸に平行な方向又は平行な方向に対して光軸に近づく側に反射されることが好ましい。一方で、光軸となす角度が４５°以下の方向に射出される光は反射面によって反射せず、そのままレンズに到達するようなリフレクタの形状にしてもよい。この様な構成にすることにより、反射による光量損失がないため、光量のロスを抑えることができ好ましい。尚、光軸となす角度が６０°以下の方向に射出される光が反射面によって反射せず、そのままレンズに到達するようなリフレクタ形状とすると、さらに反射による光量ロスを低減できる。更には、７０°以下としてもよい。

光軸方向から見たリフレクタの形状は、円状又は楕円状に反射面を設けるような形状が好ましいが、これに限られない。この場合、リフレクタの本体を含め、全面にアルミニウムや銀を蒸着してもよいし、円状または楕円上の反射面部分にのみ、アルミニウムや銀を蒸着してもよい。

次に、レンズについて説明する。

レンズは、光軸に対して平行に入射した平行光を発散光もしくは収束光として出射できる特性を有するものをいう。例えば、凹レンズ、凸レンズ、回折レンズ、フレネルレンズ等が好ましい例として挙げられる。製造上の観点からは、好ましくは凹レンズ、又は凸レンズである。

レンズの素材としては、ガラスや、環状ポリオレフィン、ポリカーボネート等の熱可塑性の樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、ＵＶ硬化性樹脂、シリコンなどがある。環状ポリオレフィンやポリカーボネート等の熱可塑性の樹脂を用いる場合、射出成形により製造できるため、製造コストを大幅に低減させることができる。

光軸方向から見た拡散レンズ形状は、リフレクタの形状に合わせることが好ましい。例えば、リフレクタが長方形又は正方形である場合は、拡散レンズも長方形や正方形としても良い。但し、反射面の形状に合わせて、円や楕円としてもよい。

駆動手段としては、各種のアクチュエータやモータを用いることが出来、アクチュエータとしては圧電素子等を用いたもので良く、モータとしてはリニアモータやステッピングモータ、ボイスコイルモータ等を用いることができる。但し、駆動手段は手動で行うものでも良い。

本発明によれば、白熱灯等に比べＬＥＤを用いることで省エネを実現しつつ、配光特性の変更を迅速に行うことができるＬＥＤ照明装置を提供することができる。

ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ１の断面図である。 ＬＥＤチップＣＰを光軸方向レンズ側から見た拡大図である。 ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ２の断面図である。 ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ３の断面図である。 ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ４の断面図であり、（ａ）はリフレクタとレンズとを光源に近接した状態を示し、（ｂ）は光源から離間した状態を示す。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置ＥＭＴ１の断面図である。図２は、ＬＥＤチップＣＰを光軸方向レンズ側から見た拡大図である。

図１において、ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ１は、ＬＥＤ光源であるＬＥＤチップＣＰと、ＬＥＤチップＣＰが実装された円筒状の実装基板（パッケージ）ＰＣと、ＬＥＤチップＣＰを封止した透光性の封止材からなる封止部ＳＬと、ＬＥＤチップＣＰから放射された光によって励起されてＬＥＤチップＣＰの発光色とは異なる色の光を放射する蛍光体を含有した透光性材料（例えば、シリコーン樹脂など）により形成され封止部ＳＬの光出射面側に配置された蛍光体層ＹＥＬと、ＬＥＤチップＣＰと光軸が一致する形で配置され蛍光体層ＹＥＬの光出射面から出射される光の配光を制御する椀状のリフレクタＲＬと、リフレクタＲＬに対して移動可能に取り付けられたレンズＬＳと、実装基板ＰＣが固定された配線基板ＨＣと、配線基板ＨＣ上に固定された駆動手段であるアクチュエータＡＣＴとを備えている。

実装基板ＰＣは、ＬＥＤチップＣＰを収納する収納凹所ＰＣａが上面側に設けられたセラミック基板により形成されており、蛍光体層ＹＥＬは、収納凹所ＰＣａの上端近傍において収納凹所ＰＣａを閉塞する形で配置されている。

リフレクタＲＬは、中空の円筒部ＲＬａと中空の半球部ＲＬｂとを接合した形状を有しており、半球部ＲＬｂの底部には、実装基板ＰＣを嵌挿する筒部ＲＬｃが形成されている。リフレクタＲＬは、当該筒部ＲＬｃを介して配線基板ＨＣの上面に固定されている。半球部ＲＬｂの内面には、反射膜ＲＭが成膜されている。リフレクタＲＬの円筒部ＲＬａは、その上端から軸線方向に延在する２つのスリットＲＬｄを有している。

凹レンズであるレンズＬＳは、円筒部ＲＬａの内周に等しい外形を有するが、外周の一部である２つの突出部ＦＬが光軸直交方向に突出して、円筒部ＲＬａのスリットＲＬｄにそれぞれ摺動可能に係合している。一方の突出部ＦＬは、更にスリットＲＬｄを抜けて光軸直交方向に突出している。この突出部ＦＬには、アクチュエータＡＣＴの駆動軸ＡＣＴａの上端が連結している。

配線基板ＨＣの上面に取り付けられたアクチュエータＡＣＴは、例えば圧電素子からなり、駆動軸ＡＣＴａを所望の量だけ伸縮させることができるようになっている。

本実施の形態における白色ＬＥＤ光源は、具体的には、ＬＥＤチップＣＰと、ＬＥＤチップＣＰを覆うようにして（図２参照）その上に形成された蛍光体層ＹＥＬから構成されている。ＬＥＤチップＣＰ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ＣＰ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ＣＰ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ＣＰ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ＹＥＬは、ＬＥＤチップＣＰ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。本実施の形態では、ＬＥＤチップＣＰ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。

本実施の形態の動作について説明する。配線基板ＨＣを介して供給された電力により、ＬＥＤチップＣＰが青色の発散光を照射すると、かかる発散光は蛍光体層ＹＥＬを透過して白色光に変換され、一部はリフレクタＲＬに反射されてレンズＬＳに向かい、残りは直接レンズＬＳに向かう。レンズＬＳに入射した白色光は、その屈折作用により発散作用を与えられて出射するようになっている。

ここで、アクチュエータＡＣＴに電力を供給すると、駆動軸ＡＣＴａが伸縮するので、駆動軸ＡＣＴａに連結された突出部ＦＬと共に、リフレクタＲＬおよびＬＥＤチップＣＰに対してレンズＬＳが光軸方向に変位し、所定の位置に静止する。これによりＬＥＤチップＣＰとレンズＬＳとの間の距離が変化するので、そのレンズＬＳの光軸方向の位置に応じて、白色ＬＥＤ光源の配光特性が変化することとなる。本実施の形態においては、アクチュエータＡＣＴによりレンズＬＳを駆動することで、配光特性を迅速に変化させることができる。

図３は、第２の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置ＥＭＴ２の断面図である。本実施の形態においては、リフレクタとレンズとを一体化している。より具体的には、中実半球状のレンズＬＳの曲面外周に、リフレクタとしての反射膜ＲＭを形成している。レンズＬＳは全体として半球状であるが、光源近傍に凹面部ＬＳａを有しており、凹レンズとして機能する。

レンズＬＳの外周に形成された突出部ＦＬが光軸直交方向に突出しており、この突出部ＦＬには、アクチュエータＡＣＴの駆動軸ＡＣＴａの上端が連結している。それ以外の構成については、上述した実施の形態と同様であるため、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の動作について説明する。配線基板ＨＣを介して供給された電力により、ＬＥＤチップＣＰが発散光を照射すると、かかる発散光は蛍光体層ＹＥＬを透過して白色光に変換され、レンズＬＳに入射した後、一部は反射膜ＲＭで反射されて上方の出射面から出射し、残りは直接出射面から出射する。

ここで、アクチュエータＡＣＴに電力を供給すると、駆動軸ＡＣＴａが伸縮するので、駆動軸ＡＣＴａに連結された突出部ＦＬと共に、ＬＥＤチップＣＰに対してリフレクタと共にレンズＬＳが光軸方向に変位し、所定の位置に静止する。これによりＬＥＤチップＣＰとレンズＬＳとの間の距離が変化するので、そのレンズＬＳの光軸方向の位置に応じて、白色ＬＥＤ光源の配光特性が変化することとなる。本実施の形態においては、アクチュエータＡＣＴによりレンズＬＳを駆動することで、配光特性を迅速に変化させることができる。

図４は、第３の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置ＥＭＴ３の断面図であるが、駆動手段は省略している。本実施の形態においても、リフレクタとレンズとを一体化している。より具体的には、略切頭円錐形状のレンズＬＳは光源に近づくに連れて縮径する形状であるが、光源側には光源を収容可能な凹面部ＬＳａを有しており、また出射側には凹面部ＬＳｂを有する。後述するように全反射を用いる場合、レンズＬＳの円錐面ＴＰがリフレクタとして機能するので反射膜の成膜は不要であるが、円錐面ＴＰの光軸に対する傾きを例えば４５度より浅くするなどする場合、レンズＬＳの円錐面ＴＰに反射膜を設けても良い。

ＬＥＤチップＣＰから出射され蛍光体層ＹＥＬを通過して変換された白色光の一部は、凹面部ＬＳａからレンズＬＳ内に入射し、その一部はレンズＬＳの円錐面ＴＰ（レンズＬＳと空気の界面）で全反射が生じ、その反射光が凹面部ＬＳｂを通って出射する。又、残りの白色光は、直接凹面部ＬＳｂを通って出射する。不図示の駆動手段により、レンズＬＳを光源に対して近接／離間するように移動させることで、ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ３の配光特性を変えることができる。

図５は、第４の実施の形態にかかるＬＥＤ照明装置ＥＭＴ４の断面図であるが、駆動手段は省略している。本実施の形態では、中空のリフレクタＲＬと凹レンズＬＳとを接合してなる。リフレクタＲＬの内周面は、光源に近づくに連れて縮径する形状であり、金属蒸着等で反射面ＲＭを形成している。凹レンズＬＳの光源側の面ＬＳａは凹面であるが、出射側の面ＬＳｂは平面である。

ＬＥＤチップＣＰから出射され蛍光体層ＹＥＬを通過して変換された白色光の一部は、リフレクタＲＬの内周の反射面ＲＭで反射し、その反射光が凹レンズＬＳを通って出射する。又、残りの白色光は、直接凹レンズＬＳを通って出射する。不図示の駆動手段により、レンズＬＳとリフレクタＲＬを光源に対して近接／離間するように移動させることで、ＬＥＤ照明装置ＥＭＴ４の配光特性を変えることができる。

尚、以上の実施の形態において、図２に示すように、黄色の蛍光体層ＹＥＬにより青色光を出射するＬＥＤチップＣＰ全体を覆っているが、場合により色むらが発生する恐れがある。そこで、かかる色むらを防止するために、リフレクタの形状を適正に形成したり、光源とレンズとの間に拡散板を配置することができる。

本発明のＬＥＤ照明装置は、監視装置に限らず街路灯に限らず室内灯としても勿論用いることができる。凹レンズの代わりに凸レンズを設けても良い。

ＡＣＴ アクチュエータ
ＡＣＴａ 駆動軸
ＣＰ チップ
ＥＭＴ１ ＬＥＤ照明装置
ＥＭＴ２ ＬＥＤ照明装置
ＦＬ 突出部
ＨＣ 配線基板
ＬＳ レンズ
ＬＳａ 凹面部
ＰＣ 実装基板
ＰＣａ 収納凹所
ＲＬ リフレクタ
ＲＬａ 円筒部
ＲＬｂ 半球部
ＲＬｃ 筒部
ＲＬｄ スリット
ＲＭ 反射膜
ＳＬ 封止部
ＹＥＬ 蛍光体層

Claims (5)

1. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源から出射される光を反射するリフレクタと、
   前記リフレクタで反射された光を透過するレンズと、
   前記リフレクタに対して前記レンズを光軸方向に移動させる駆動手段とを有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
2. 前記ＬＥＤ光源と前記リフレクタは互いに固定されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源から出射される光を反射するリフレクタと、
   前記リフレクタで反射された光を透過するレンズと、
   前記ＬＥＤ光源に対して前記レンズを光軸方向に移動させる駆動手段とを有することを特徴とするＬＥＤ照明装置。
4. 前記レンズと前記リフレクタは一体的に移動するようになっていることを特徴とする請求項３に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記ＬＥＤ光源は、青色光を照射するＬＥＤチップの周囲に黄色蛍光体を配置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。

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