JP5382304B2

JP5382304B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5382304B2
Application number: JP2008297172A
Authority: JP
Inventors: 勝吉田; 強都丸; 泰孝若林; 茂若林
Original assignee: 伸和エクセル株式会社
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010123458A

Description

本発明は、複数の発光素子（例えば、発光ダイオード）を備えた照明装置に関する。

最近では、発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した照明装置（以下、ＬＥＤ照明装置という）が広く利用されるようになってきている。

ＬＥＤ照明装置では、一般に、複数のＬＥＤが使用されており、各ＬＥＤからの光が合わさって、一定の範囲を照明することになる。また、ＬＥＤ照明装置では、一般に、各ＬＥＤからの光を集光するためのレンズを備えている。

従来のＬＥＤ照明装置では、各ＬＥＤからの光は、レンズによって一定の範囲に集光されているため、例えば、床面を照らすように天井に下向きに固定された場合、ＬＥＤ照明装置の直下の領域、すなわち、ＬＥＤ照明装置（ＬＥＤが配置された領域）とほぼ同じ面積の領域のみに光が照射されることになる。つまり、ＬＥＤ照明装置の直下の領域だけが明るく、それ以外の領域は暗くなってしまう。

そのため、床面全域を一定以上の照度で照らしたい場合、天井全域にＬＥＤ照明装置を敷きつめなければならず、多数のＬＥＤ照明装置が必要となり、その分、コストがかかることになる。

なお、特開２００８−２１５６１号公報には、白色ＬＥＤとフレネルレンズとの対を複数設け、各フレネルレンズが、各白色ＬＥＤの直下に位置するように配置された照明装置が開示されている。また、特開２００６−９２９００号公報には、長手方向にＬＥＤランプを所定ピッチで点在配置するとともに各ＬＥＤランプの正面にレンズを配置したバー光源装置が開示されている。
特開２００８−２１５６１号公報特開２００６−９２９００号公報

本発明の目的は、従来より広い範囲を照射することが可能な照明装置を提供することにある。

本発明に係る照明装置は、複数の発光素子と複数の発光素子から放射された光を屈折させて集光する複数の集光レンズと複数の集光レンズを保持するレンズホルダを基板に連結したベース部とを備え、集光レンズのフランジ部を基板とレンズホルダとの間に挟持して固定し、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、各発光素子と各集光レンズとが一対一に対応しており、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、円状に配置され、前記発光素子及び前記集光レンズから各々構成される複数の発光部が、複数の同心円上に配置され、前記複数の発光部のうち前記複数の同心円の一つの同心円上に配置された複数の発光部が、前記一つの同心円上で前記一つの同心円の円周方向に沿って等間隔に配置され、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、各集光レンズの中心と、各集光レンズに対応する発光素子の中心とがずれるように配置され、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズが配置される円の半径方向に沿って各集光レンズの中心が各集光レンズに対応する発光素子の中心より照明装置の外側にずれるように配置され、前記発光素子の中心に対して前記集光レンズの中心をずらしたずれ量が、２．５ｍｍ以下であり、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズの少なくとも一部の中には、各集光レンズの中心と、各集光レンズに対応する発光素子の中心とのずれ量が異なるものが混在していることを特徴とする。

また、以上の場合において、前記レンズのレンズ面は、例えば、放物面を構成するように形成される。また、前記発光素子は、例えば、発光ダイオードで構成される。前記発光ダイオードは、白色発光ダイオードで構成するようにしてもよいし、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード若しくは青色発光ダイオード又はこれらの組み合わせによって構成するようにしてもよい。

本発明によれば、従来より広い範囲を照射することが可能な照明装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明による照明ユニット（照明装置）の構成を説明するための図である。図１は、本発明による照明ユニットの平面図を示し、図２は、図１のＡ−Ａ拡大断面図を示す。

図１及び図２に示すように、本発明による照明ユニット１００は、複数の発光部１１０と、ベース部１２０とを備える。照明ユニット１００は、例えば、恒温槽、冷凍・冷蔵倉庫、ショーケース等において、発光部１１０を下に向けた状態で天井に取り付けられて使用されるものである。

図１に示すように、照明ユニット１００においては、複数（本実施形態では、４８個）の発光部１１０が、同心円状に配置されている。本実施形態では、中心が同じで半径が異なる３つの円上に、複数の発光部１１０が並ぶように配置される。より具体的には、一番内側の円をなすように、８個の発光部１１０が配置され、その外側に、２番目の円をなすように、１６個の発光部１１０が配置され、その外側に、３番目（一番外側）の円をなすように、２４個の発光部１１０が配置されている。また、本実施形態では、各発光部１１０は、同一の円上に配置された発光部１１０が等間隔をなすように、すなわち、隣接する発光部１１０と、同心円の中心とがなす角度がすべて等しくなるように配置される。

図２に示すように、各発光部１１０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）１１１と、レンズ１１２とによって構成されている。一方、ベース部１２０は、基板１２１と、レンズホルダ１２２とによって構成されている。

また、図２に示すように、各発光部１１０においては、ＬＥＤ１１１の中心と、レンズ１１２の中心とがずれるように配置される。より具体的には、ＬＥＤ１１１の中心に対して、レンズ１１２の中心が同心円の半径方向外側にずれるように配置される。すなわち、同図に示すように、レンズ１１２の中心が配置される同心円の半径Ｒ１，Ｒ２が、ＬＥＤ１１１が配置される同心円の半径ｒ１，ｒ２より大きくなる。

以下、照明ユニット１００の各構成要素の詳細について説明する。まず、発光部１１０を構成するＬＥＤ１１１及びレンズ１１２の詳細について説明する。

ＬＥＤ１１１は、照明ユニット１００の光源を構成する発光素子であり、例えば、白色ＬＥＤで構成される。本実施形態では、表面実装型のＬＥＤを利用しており、各ＬＥＤ１１１は、基板１２１の一方の面上に表面実装されている。

レンズ１１２は、ＬＥＤ１１１から放射された光を屈折させて集光するためのものであって、例えば、曲面（レンズ面）が放物面を構成する非球面レンズによって構成される。レンズ面を放物面とすることにより、ＬＥＤ１１１から放射された光を効率よく集光することが可能となる。

図３は、レンズ１１２の構造を説明するための図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示し、同図（ｃ）は底面図を示し、同図（ｄ）は断面図を示す。

同図に示すように、レンズ１１２は、本体部１１２１と、フランジ部１１２２とを備える。

本体部１１２１は、レンズ機能を実現する部分であって、背の低い円柱状部材の上端側にレンズ面として放物面に形成したような形状を有している。また、本体部１１２１の底面には、ＬＥＤ１１１を収容するための穴（凹部）１１２３が形成されている。

フランジ部１１２２は、基板１２１とレンズホルダ１２２との間に挟持されて、レンズ１１２を固定するための部分であって、本体部１１２１の下端部から半径方向外側に向かって全周にわたって鍔状に張り出すように形成されている。

次に、ベース１２０を構成する基板１２１及びレンズホルダ１２２の詳細について説明する。まず、基板１２１の詳細について説明する。

基板１２１は、複数のＬＥＤ１１１が実装される部材であって、各ＬＥＤ１１１に対して電力を供給するための配線が形成されたプリント配線基板で構成される。

図４は、基板１２１の構成を説明するための図である。

同図に示すように、基板１２１は、矩形平板状の形状を有し、その一方の面には、複数（本実施形態では、４８個）のＬＥＤ１１１が実装されている。更に、ＬＥＤ１１１と同じ面には、複数（本実施形態では、１２個）の抵抗１２１１と、複数（本実施形態では、４個）のコネクタ１２１２が実装されている。また、基板１２１の中央及び四隅には、基板１２１とレンズホルダ１２２とを連結するためのねじが挿入される貫通孔１２１３が形成されている。また、図示していない他方の面には、各ＬＥＤ１１１に対して電力を供給するための配線が形成されている。

同図に示すように、基板１２１においては、複数のＬＥＤ１１１は、同心円状に配置されている。複数のＬＥＤ１１１の具体的な配置は、基本的に、前述した発光部１１０の配置と同様であるが、前述したように、各ＬＥＤ１１１は、対応する各発光部１１０（レンズ１１２）より、やや内側に配置される。つまり、発光部１１０（レンズ１１２）が配置される円より、半径が少し小さい円上に配置される。

図５は、各ＬＥＤ１１１に対して電力を供給するための回路（ＬＥＤ駆動回路）の構成を説明するための回路図である。

基板１２１においては、４８個のＬＥＤ１１１を、４個ずつのグループ、合計１２個のグループに分けている。また、１２個ある抵抗１２１１を、一つずつ、各グループに割り当てている。そして、同図に示すように、各グループにおいて、４個のＬＥＤ１１１（１１１ａ〜１１１ｄ）と、１個の抵抗１２１１を直列に接続して、コネクタ１２１２を介して、１２Ｖの電圧を供給するように、回路を構成している。

なお、基板１２１では、各辺に沿うように合計４つのコネクタ１２１２を設けているが、これは、複数の照明ユニット１００を隣接するように並べて使用する際に、電源の配線を容易にするためである。従って、照明ユニット１００を単体で利用する場合は、コネクタ１２１２の数は一つでもよい。

次に、レンズホルダ１２２の詳細について説明する。

レンズホルダ１２２は、レンズ１１２を所定の位置に保持するための部材である。レンズホルダ１２２は、レンズ１１２のフランジ部１１２２を、基板１２１との間で挟持することによって、レンズ１１２を保持する。

図６は、レンズホルダ１２２の構造を説明するための平面図である。

同図に示すように、レンズホルダ１２２は、矩形平板状の形状を有し、レンズ１１２の本体部１１２１を挿入するための貫通孔１２２１が複数（本実施形態では、４８個）形成されている。レンズホルダ１２２においては、複数の貫通孔１２２１は、同心円状に配置されている。複数の貫通孔１２２１の具体的な配置は、前述した発光部１１０の配置と同じである。なお、基板１２１に実装されたＬＥＤ１１１の配置を基準に考えると、各貫通孔１２２１は、対応する各ＬＥＤ１１１より、やや外側に配置される。つまり、ＬＥＤ１１１が配置される円より、半径が少し大きい円上に配置される。

また、レンズホルダ１２２の各辺付近には、基板１２１に実装されたコネクタ１２１２を露出させるための矩形状の貫通孔１２２２が各辺に沿うように形成されている。更に、レンズホルダ１２２の中央及び四隅には、レンズホルダ１２２を基板１２１に固定するためのねじが挿入される貫通孔１２２３が形成されている。

次に、以上のような構成を有する照明ユニット１００の作用について説明する。

照明ユニット１００においては、発光素子であるＬＥＤ１１１を同心円状に配置した上で、各ＬＥＤ１１１に対応するレンズ１１２を、同心円の半径方向外側に少しずらして配置するようにすることによって、照明ユニット１００から照射される光が横方向に広がるようにしている。

図７は、一組のＬＥＤ１１１及びレンズ１１２において、ＬＥＤ１１１に対するレンズ１１２の配置位置の違いによって生じる配光の違いを説明するための図である。

同図（ａ）は、ＬＥＤ１１１の中心（より正確には、ＬＥＤチップの中心）を通る線（ＬＥＤ中心線）７０１と、レンズ１１２の中心を通る線（レンズ中心線）７０２とが重なるように配置した場合の光路及び配光のイメージを示す図である。一方、同図（ｂ）及び（ｃ）は、ＬＥＤ中心線７０１と、レンズ中心線７０２とが重ならないようにずらして配置した場合の光路及び配光のイメージを示す図である。同図（ｂ）と同図（ｃ）とでは、ずらす方向が逆になっている。

同図（ａ）に示すように、ＬＥＤ中心線７０１とレンズ中心線７０２とが重なるように配置した場合、光路及び配光は左右対称になる。一方、同図（ｂ）に示すように、ＬＥＤ中心線７０１とレンズ中心線７０２とが重ならないように、ＬＥＤ中心線７０１に対して、レンズ中心線７０２を同図における左側にずらして配置した場合、光路及び配光も、同図における左側にずれることになる。同様に、同図（ｃ）に示すように、ＬＥＤ中心線７０１とレンズ中心線７０２とが重ならないように、ＬＥＤ中心線７０１に対して、レンズ中心線７０２を同図における右側にずらして配置した場合、光路及び配光も、同図における右側にずれることになる。

図８及び図９は、照明ユニット１００において、ＬＥＤ１１１に対するレンズ１１２の配置位置の違いによって生じる配光の違いを説明するための図である。図８は、照明ユニット１００を構成する各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合の光路及び配光のイメージを示す図である。一方、図９は、照明ユニット１００の構成する各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重ならないように、ＬＥＤ中心線に対して、レンズ中心線を外側にずらして配置した場合の光路及び配光のイメージを示す図である。

図８に示すように、各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合、各発光部１１０からの光が重ね合わされた結果、中心の照度が高いスポットライト的な配光になる。一方、図９に示すように、各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重ならないように、ＬＥＤ中心線に対して、レンズ中心線を外側にずらして配置した場合、各発光部１１０からの光は外側に向かって広がるように進み、そのような光が重ね合わされた結果、図８の場合と比較して、広い範囲で照度が一様になる配光が得られる。

次に、照明ユニット１００について行った照度分布のシミュレーション結果及び測定結果について説明する。以下のシミュレーション結果及び測定結果は、次のような条件の下で行われたシミュレーション及び測定の結果である。

まず、照明ユニット１００（基板１２１及びレンズホルダ１２２）の形状は、一辺の長さが１５０ｍｍの正方形状としている。そして、複数のＬＥＤ１１１は、直径が５０ｍｍ、９０ｍｍ、１３０ｍｍの３つの円上に配置される。また、レンズ１１２の寸法は、本体部１１２１の直径を１０ｍｍとし、本体部１１２１の底面（ＬＥＤ１１１の発光面）から、放物面の頂点までの長さを７ｍｍとしている。

図１０及び図１１は、照明ユニット１００から１５００ｍｍ離れた距離での照度分布のシミュレーション結果を示す図である。図１０は、照明ユニット１００を構成する各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合のシミュレーション結果を示している。一方、図１１は、照明ユニット１００の構成する各発光部１１０において、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重ならないように、ＬＥＤ中心線に対して、レンズ中心線を半径方向外側に１．５ｍｍずらして配置した場合のシミュレーション結果を示している。

図１０に示すように、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合、最高値（約４００Ｌｕｘ）の５０％以上の照度が得られる範囲は、大体−５００ｍｍ〜５００ｍｍの範囲内となる。一方、図１１に示すように、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重ならないように、ＬＥＤ中心線に対して、レンズ中心線を外側に１．５ｍｍずらして配置した場合は、最大値（約１００Ｌｕｘ）の５０％以上の照度が得られる範囲は、大体−１０００ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲内となる。すなわち、ＬＥＤ中心線に対してレンズ中心線を外側にずらして配置するようにすることで、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合より、広い範囲を照明することが可能となっている。

図１２は、一つの発光部１１０（一組のＬＥＤ１１１及びレンズ１１２）について、発光部１１０から１５００ｍｍ離れた距離での照度分布を測定した結果を示す図である。同図には、ＬＥＤ１１１に対してレンズ１１２をずらす量（シフト量）を変えて測定した複数の結果が示されている。

同図において、１２０１は、シフト量が０のとき（すなわち、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるとき）の照度の測定結果を示し、１２０２は、シフト量が０．５ｍｍのとき（すなわち、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線との距離が０．５ｍｍのとき）の照度の測定結果を示し、１２０３は、シフト量が１ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０４は、シフト量が１．５ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０５は、シフト量が２ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０６は、シフト量が２．５ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０７は、シフト量が３ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０８は、シフト量が３．５ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１２０９は、シフト量が４ｍｍのときの照度の測定結果を示している。

同図に示すように、シフト量が増えるにつれて、照度のピークがより外側にずれていくことになる。更に、この場合、シフト量が３ｍｍ以上になると、シフト量が増えるにつれて、ピークの高さがより小さくなっていっている。つまり、この場合、シフト量を３ｍｍ未満（例えば、２．５ｍｍ以下）にすれば、光の損失を抑えられることになる。

図１３は、照明ユニット１００から１５００ｍｍ離れた距離での照度分布を測定した結果を示す図である。同図には、ＬＥＤ１１１に対してレンズ１１２をずらす量（シフト量）を変えて測定した複数の結果が示されている。

同図において、１３０１は、すべての発光部１１０におけるシフト量が０のとき（すなわち、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるとき）の照度の測定結果を示し、１３０２は、３つある同心円のうちの最も内側の円上と最も外側の円上に配置された発光部１１０におけるシフト量が１．５ｍｍであって、中間の円上に配置された発光部１１０におけるシフト量が０のときの照度の測定結果を示し、１３０３は、すべての発光部１１０におけるシフト量が１．５ｍｍのときの照度の測定結果を示し、１３０４は、すべての発光部１１０におけるシフト量が２ｍｍのときの照度の測定結果を示している。

同図に示すように、ＬＥＤ中心線に対してレンズ中心線を外側にずらして配置するようにすることで、ＬＥＤ中心線とレンズ中心線とが重なるように配置した場合より、広い範囲で照度が一様になる配光が得られる。

以上、詳細に説明したように、上述した実施形態では、複数のＬＥＤ１１１を同心円状に配置すると共に、各ＬＥＤ１１１に対応するレンズ１１２を、各ＬＥＤ１１１の中心に対して、レンズ１１２の中心が、同心円の半径方向やや外側にくるように配置しているので、各ＬＥＤ１１１からの光が外側に広がるように進み、結果的に、従来より広い範囲が一様に照射される照明が得られることになる。従って、従来より少ない数の照明ユニット１００によって、所定の照明対象領域を一定以上の照度で照らすことが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。

また、上述した実施形態では、レンズ１１２をずらして配置する際、すべての発光部１００についてシフト量が同じになるようにしていたが、シフト量が異なる発光部１００を混在させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、発光素子として、白色ＬＥＤを利用していたが、他のものを利用することもできる。例えば、発光素子として、赤色ＬＥＤや、緑色ＬＥＤや、青色ＬＥＤを利用することもできる。

また、上述した実施形態では、レンズ１１２としては、レンズ面が放物面のものを利用したが、他の非球面レンズや、球面レンズを利用することもできる。

本発明による照明ユニット１００の構成を説明するための平面図である。本発明による照明ユニット１００の構成を説明するための断面図である。レンズ１１２の構造を説明するための図である。基板１２１の構成を説明するための図である。ＬＥＤ駆動回路の構成を説明するための回路図である。レンズホルダ１２２の構造を説明するための図である。一組のＬＥＤ１１１及びレンズ１１２において、ＬＥＤ１１１に対するレンズ１１２の配置位置の違いによって生じる配光の違いを説明するための図である。照明ユニット１００において、ＬＥＤ１１１に対するレンズ１１２の配置位置の違いによって生じる配光の違いを説明するための図（その１）である。照明ユニット１００において、ＬＥＤ１１１に対するレンズ１１２の配置位置の違いによって生じる配光の違いを説明するための図（その２）である。照明ユニット１００の照度分布のシミュレーション結果を示す図（その１）である。照明ユニット１００の照度分布のシミュレーション結果を示す図（その２）である。一組のＬＥＤ１１１及びレンズ１１２について照度分布を測定した結果を示す図である。照明ユニット１００の照度分布を測定した結果を示す図である。

１００照明ユニット（照明装置）
１１０発光部
１１１，１１１ａ〜１１１ｄ発光ダイオード（ＬＥＤ）
１１２レンズ
１２０ベース部
１２１基板
１２２レンズホルダ
１１２１本体部
１１２２フランジ部
１１２３穴（凹部）
１２１１抵抗
１２１２コネクタ
１２１３貫通孔
１２２１貫通孔
１２２２貫通孔
１２２３貫通孔
７０１ＬＥＤ中心線
７０２レンズ中心線

Claims

複数の発光素子と該複数の発光素子から放射された光を屈折させて集光する複数の集光レンズと該複数の集光レンズを保持するレンズホルダを基板に連結したベース部とを備え、前記集光レンズのフランジ部を前記基板とレンズホルダとの間に挟持して固定している照明装置であって、
前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、各発光素子と各集光レンズとが一対一に対応しており、
前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、円状に配置され、
前記発光素子及び前記集光レンズから各々構成される複数の発光部が、複数の同心円上に配置され、
前記複数の発光部のうち前記複数の同心円の一つの同心円上に配置された複数の発光部が、前記一つの同心円上で前記一つの同心円の円周方向に沿って等間隔に配置され、
前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、各集光レンズの中心と、各集光レンズに対応する発光素子の中心とがずれるように配置され、
前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズは、前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズが配置される円の半径方向に沿って各集光レンズの中心が各集光レンズに対応する発光素子の中心より照明装置の外側にずれるように配置され、
前記発光素子の中心に対して前記集光レンズの中心をずらしたずれ量が、２．５ｍｍ以下であり、
前記複数の発光素子及び前記複数の集光レンズの少なくとも一部の中には、各集光レンズの中心と、各集光レンズに対応する発光素子の中心とのずれ量が異なるものが混在していることを特徴とする照明装置。
前記集光レンズのレンズ面が、放物面を構成することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記発光素子が、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明装置。