JP5396401B2 - 発光ダイオード照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）アセンブリに関し、特に、従来の蛍光灯を従来の蛍光灯器具に交換できるＬＥＤアセンブリに関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）は、蛍光灯より優れた多くの利点を有する。ＬＥＤは、より効率的で、より長く持続し、振動および低温に対する影響が少ない。ＬＥＤの利点を利用するために、従来の蛍光管は、ＬＥＤを含むように改良されてきた。例えば、特許文献１は、一群のＬＥＤを包み込む従来の蛍光管の形状を有する管を開示している。ＬＥＤによって改良された公知の蛍光管は、蛍光管の均一な非指向性光出力とは対照的に、ＬＥＤの指向性光出力によって抑制される。

米国特許第７，０４９，７６１号明細書

本発明は、管の円周周辺および管の長さに沿って光を均一に配光し、明白な点光源のない均一の光を生じる様々な方向のＬＥＤを教示する。

このような構成の１つは、第１のＬＥＤアセンブリおよび第２のＬＥＤアセンブリを備え、その各々は、複数のＬＥＤを有する。管は少なくとも１つの管部を有し、第１および第２のＬＥＤアセンブリは、管部の長手方向の長さに取り付けられ、管の内部に向くように方向付けられる。各ＬＥＤアセンブリから最少量の光を受ける管の領域は、複数のＬＥＤアセンブリから光を受け、一方、各ＬＥＤアセンブリから最大量に光を受ける管の部分は、１つのＬＥＤアセンブリから光を受けるだけである。従って、全体として、管の円周全体の周り、および管の全長に沿って、同程度の量の光が管を照射する。

他のこのような構成は、例えば、少なくとも一つの管部と、複数のＬＥＤアセンブリを有する少なくとも１つのＬＥＤアセンブリと、を有する管状ハウジングを備える。各ＬＥＤアセンブリは、管状ハウジングの長手方向の長さに取り付けられ、管状ハウジングの接線に平行に光を発するように方向付けられる。また、この構成は、各ＬＥＤアセンブリと連結された光パイプを有し、管状ハウジングの少なくとも一部の内側に湾曲している。
これらの実施形態、および他の実施形態を、以下により詳細に説明する。

本明細書における説明は、添付した図面を参照する。ここで、幾つかの図の全体にわたって、同じ参照番号は同じ部分を示す。
管の長手方向の長さに沿って取り付けられた２つの中心対向ＬＥＤアセンブリを有する透明管の等角図である。 管の長手方向の長さに沿って取り付けられた２つの中心対向ＬＥＤアセンブリを有する管の側面図である。 管の長手方向の長さに沿って取り付けられた２つのオフセットＬＥＤアセンブリを有する管の側面図である。 ２つの中心対向ＬＥＤアセンブリを有する管、および２つのＬＥＤアセンブリの間に配置された反射面の側面図である。 図４に示す管と類似するが、その反射面は、光をＬＥＤアセンブリの周辺部に向けるための屈曲部を有する管の側面図である、 ２つの半径方向に取り付けられたＬＥＤアセンブリを有する管、および光を管の円弧部の周りに向ける２つの光パイプの側面図である。 図６の部分断片図である。 側面放射ＬＥＤおよび光パイプを有する管の側面図である。 図７の部分断片図である。

ＬＥＤによって改良された公知の蛍光灯は、照明される対象に向かって直接配光する。しかしながら、照明される対象に向かって直接配光することは、ＬＥＤの狭い視野角のため、不快で不均一な光を生じ、輝点が出現する。対照的に、本明細書では、均一な光を与える線形分布の発光ダイオードの実施形態を開示する。一定の方向にＬＥＤを配置することによって、輝点の出現は解消され、均一な光が与えられる。

線形分布の発光ダイオードの実施形態を図１〜図７に示す。図示された光線は、説明用のものであり、ＬＥＤからの実際の光の分散を正確に描写することを意図するものではない。図１に示すように、ＬＥＤ照明装置１０は、管１２と、ＬＥＤアセンブリ１４とを有する。管１２は、ＬＥＤ照明装置１０が、従来の蛍光灯器具と互換性を持つことを可能にするように形成され、装置１０をこのような照明器具に嵌入するためのエンド・キャップを有する。ＬＥＤアセンブリ１４は、管１２の長さ全体に光を与えるために、管１２の長手方向の長さ、すなわち、管１２の軸に平行な管１２の長さに沿って延びている。管１２は、２つの半円形管部１３をＬＥＤアセンブリ１４に取り付けることにより形成される。管部１３とＬＥＤアセンブリ１４との間の取付具は、接着剤の代わりに、ネジ、スナップフィット機構、または当業者に既知の他の適切な取付具とすることができる。

しかしながら、図７に示すように、ＬＥＤ照明装置１０は、管１２の円周上に１つのＬＥＤアセンブリ１４のみを有する場合、１つの管部１３はＬＥＤアセンブリ１４の一方の側から他方の側までほとんど完全な円を延びることができる。また、図５の実施形態で示すように、管１２は、ＬＥＤアセンブリ１４をその内側に取り付けた従来の蛍光灯とすることができる。管１２とＬＥＤアセンブリ１４との間の取付具は、接着剤の代わりに、ネジ、スナップフィット機構、または当業者に既知の他の適切な取付具とすることができる。また、管１２の特殊形状は、ＬＥＤ照明装置１０の所望の使用に依存する。例えば、管１２は、細長い形状である必要はなく、Ｕ型、ドーナツ型、あるいは特定用途に要求される他の形状とすることができる。この場合、一つ以上のＬＥＤアセンブリ１４は、管の軸に平行にさらに伸びる（すなわち、長手方向にさらに伸びる）が、管１２と互換性を持つように成型されている。例えば、管１２が、従来のリング形の蛍光灯を交換することを目的とする場合、ＬＥＤアセンブリ１４は、リング形の管の内周および外周の周りを長手方向に延び、続いて管１２の湾曲部に延びる。管１２は、ポリカーボネート、ガラス、アクリル、および当業者に公知の他の材料より形成されることができる。

例示された図２において、管１２は、拡散面２２を有する。図示された拡散面２２は、管１２の内面に塗布された拡散膜である。また、拡散面は、透明管１２の内側に塗布された光透過性樹脂内の拡散粒子を有することができる。あるいは、他の拡散層を透明管に固定する代わりに、管１０を半透明材料より作製することができる。また、管１２は、例えば管１２の内面を粗くした内面に拡散面２２を形成する処理を受けることもできる。また、図７に示すように、例えば、***３２、ドット、バンプ、くぼみ、および他の平坦でない面のような光抽出構造体を、管１２の内面に有することができる。この場合、他の拡散層を、管１２の外側に有することができる。

各ＬＥＤ光アセンブリ１４は、複数のＬＥＤ１６および電気回路を有する。ＬＥＤ光アセンブリ１４に含まれるＬＥＤ１６は、白色光を発する。しかしながら、必要に応じて、青色光、紫外線光、または他の波長の光を発するＬＥＤ１６を含むことができる。プリント回路基板（ＰＣＢ）１８は、例示された実施形態では電気回路を形成する。しかしながら、例えば金属芯回路基板のような他の型の回路基板を、ＰＣＢ１８の代わりに用いることができる。また、組立前に、例えば管部１３の内部に銅を付着することによって、回路を管１２の内面に直接形成することができる。同様に、ＬＥＤ１６が電気的に接続され、適切に支持される限り、プリント回路基板１８の代わりにワイヤを用いることができる。ワイヤが用いられるとき、ＬＥＤ１６をヒートシンク２０に直接接着することができ、あるいは、ヒートシンクが適用不要の場合は、管１２に直接接着することができる。ＬＥＤの故障の危険は低いので、ＬＥＤ１６を、直列または平行に接続することができる。各ＰＣＢ１８に取り付けられたヒートシンク２０を例示する。しかしながら、管部１３は、ヒートシンク２０を必要としない熱伝導プラスチック材料より形成することができる。管１２がリング形に配置される応用においては、例えば、電気回路がフレキシブル回路基板を含むことが望ましい。

従来の蛍光照明器具との物理的および電気的接続を容易にするために、管１２の各端部にエンド・キャップ（図示せず）が取り付けられる。エンド・キャップは、変圧器、必要な場合には、他の必要な電気部品を含むことができる。また、電気部品は、管１２の一部に存在することができる。エンド・キャップは、例えば従来の蛍光照明器具において一般的に用いられる２ピン構成のような必要な物理的および電気的接続を含むことができる。このような構造は、例えば、米国特許第７，０４９，７６１号に示される。

図２に例示された実施形態において、２つのＬＥＤアセンブリ１４は、管１２を形成するために、管部１３の長手方向の長さに取り付けられる。ＬＥＤアセンブリ１４は、管１２の中心に対して１８０°の間隔を置かれ、ＬＥＤアセンブリ１４は、管１２の中心に対向するように方向付けられる。ＬＥＤ１６が複数の方向に光を発する一方、ＬＥＤ１６が上記いわゆる「対向」している方向は、発せられた光が進む方向を参照して決定される。すなわち、ラインがＬＥＤアセンブリ１４が「対向」するように方向付けられる場合、ＬＥＤ１６によって発せられた等量の光が、そのラインを含む平面の両側を通過する。

ＬＥＤ１６により発せられた光は、ＬＥＤ１６が対向する方向を囲む領域に最も集中する。管１２の対向側に２つのＬＥＤアセンブリ１４を配置し、管１２の中心に向かって方向付けることによって、管１２の円周の周りに光の均一な分布が実現される。というのは、図２に示す管１２の上部および底部のような各ＬＥＤアセンブリから最小量の光を受ける管１２の部分は、両方のＬＥＤアセンブリ１４から光を受けるからである。ＬＥＤ１６が対向している周囲の領域における管１２の領域のように、各ＬＥＤアセンブリ１４から最大量の光を受ける管１２の部分は、１つのＬＥＤアセンブリ１４から光を受けるだけである。従って、全体として、同程度の量の光が、その円周全体の周辺で管１２を照射する。さらに、拡散面１２は、光が管１２を出る前に光を拡散することによって追加の輝点を除く能力を与える。図２に示す実施形態における管１２の単一の円周経路には、２つのＬＥＤアセンブリ１４のみが予期される一方、追加の明るさのために追加のＬＥＤアセンブリ１４を、管１２の周りに配置することができる。このようなＬＥＤアセンブリ１４が管１２の周りに均一に間隔を置かれて配置されることが望ましいが、必要でない。

第２実施形態を図３に示す。ここで、ＬＥＤアセンブリ１４は、オフセット方向にある。すなわち、管１２の中心に対向する代わりに、図３のＬＥＤアセンブリ１４は、それぞれ管１２の中心の上下にわずかに曲げられる。第１実施形態のＬＥＤアセンブリ１４の方向は、対向するＬＥＤアセンブリ１４によって、管１２を出ることを妨害される若干の光を生じる。第１実施形態の中心に対向する方向と比較して、第２実施形態のオフセット方向は、管１２を出る光の量を増加することができ、ＬＥＤ照明装置１０の増加した全体的な明るさを生じることができる。管１２の１つの円周の周りのＬＥＤアセンブリ１４の数、およびＬＥＤアセンブリ１４の間隔は、図３に示す構成と異なるものとすることができる。しかし、このようなアセンブリ１４は、上述した管１２の円周周辺に均一に配光されることが望ましい。さらに、オフセット角、すなわちＬＥＤ１６が対向する方向と中心に対向する方向との間の角度は、変動することができる。オフセット角が大きいほど、対向するＬＥＤアセンブリ１４によって遮断される光が少なくなる。しかしながら、オフセット角の増大の代償は、角度の増大につれて配光が少なくなるということである。

図４に示す他の実施形態では、反射面２４は、管１２の内側に配置される。反射面２４は、例えば、その後方に金属を被覆したガラスまたはプラスチックよりなる鏡のような反射材料より作製され、必要に応じて、拡散面を有することができる。反射面２４は、管１２の直径にわたって拡がっている。また、反射面２４は、管１２の径より小さい主な長さを有することができ、管１２のブラケットによって支持され、あるいは、管１２の各々の端部のエンド・キャップに取り付けることができる。反射面２４は、管１２の円弧部全体にわたって均一に配光するように設計された凸形状を有する。反射面２４の特定の局率は、ＬＥＤ１６の視野角、各ＬＥＤ１６から反射面２４までの距離、および管１２の円周の周りのＬＥＤ１６の数に依存している。例えば、狭い視野角を有するＬＥＤ１６は、管１２の円弧部にわたって同じ配光を実現するために、広い視野角を有するＬＥＤ１６より大きな偏向角を必要とする。さらに、各ＬＥＤ１６が反射面２４に対向する位置の近傍の反射面２４からリップ２６が突出している。リップ２６は、あるいはまた、ＬＥＤアセンブリ１４に向かって反射面２４から右後方へ反射されるＬＥＤアセンブリ１４の周辺に光を導く反射面２４からの突出物である。従って、リップ２６は管１２を出ることができる光の量を増加させ、それによって、ＬＥＤ照明装置１０の明るさを増大させる。

他の実施形態は、図５に示す反射面２４に屈曲部２８を有する。本実施形態における反射面２４は、屈曲部２８が反射面２４と管１２との接合部の近傍に配置されることを除いては、前述の実施形態における反射面２４と類似している。各屈曲部２８は、ＬＥＤアセンブリ１４の周辺部のすぐ外側の管１２の領域を通る光を導くように曲げられる。ＬＥＤアセンブリ１４の近傍で管１２を通る光を導くことによって、ＬＥＤアセンブリ１４によって生成される暗点の出現が減少する。この実施形態もまた、反射面２４上の拡散面２２を特徴とする。

図６に示す実施形態は、管１２に半径方向に取り付けられた少なくとも１つのＬＥＤアセンブリ１４を特徴とする。この配置では、半径方向に取り付けられたＬＥＤアセンブリ１４は、ＬＥＤアセンブリ１４が取付けられた位置における管１２の接線に平行に対向する。光パイプ３０の第１端部は、発せられた光を受けるために、各ＬＥＤ１６に隣接している。次に、光パイプ３０の第２端部が次のＬＥＤアセンブリ１４の背面に隣接するまで、光パイプ３０は、管１２の内側周辺に湾曲する。光パイプ３０は、管１２の円周周辺で円弧を描くようにテーパがつけられている。ＬＥＤ１６の近傍の光パイプ３０の大きい断面は、高比率の量の光が、光を出す代わりに管１２の周りで円弧を描くことを可能にする。光が管１２の周りで円弧を描き、光パイプ３０内の光の量が管１２を出る一部の光のため減少するので、光パイプ３０のより小さい断面は、高比率の量の光を管１２から追い出す。従って、均一な量の光が、管１２の円弧全体を通って管１２を出る。光パイプ３０は、光を反射するための金属被覆を有するプラスチックから構成される。また、光パイプ３０は、鏡面仕上げされたガラスから構成されることもできる。選択される材料に関係なく、ＬＥＤ照明装置１０の明るさを最大にするために、光パイプ３０は、できるだけ合計内部反射に近い内部反射としなければならない。

本実施形態における光パイプ３０の表面は、光抽出構造体、特に図示する***部３２を有する。光抽出構造体は、例えば、ドット、バンプ、くぼみ、および他の平坦でない表面のような他の形状をとることができる。このような光抽出構造体のサイズおよび形状は、管１２の円周および長さにわたって変化し、管１２の円周および長さにわたって均一な配光を生じることができる。例えば、光束が高い場合、構造を小さくし、ＬＥＤ１６に近づくほど希薄にし、光速が低い場合、構造を大きくし、ＬＥＤ１６から離れて高密である。複数のＬＥＤ１６が管１２の円周周辺に配置されると、高密で間隔を置かれた光抽出構造体を有する管１２の円周周辺の複数の領域とすることができる。光抽出構造体の配置は、Michael Zollers”integrated Optimization Capabilities Provide a Robust Tool for LED Backlight Design,”LEDsMagazine (Oct.2006),pp27-29に開示されたソフトウェアなどのソフトウェアによって決定され、その内容は、本明細書に参考により含まれている。また、光抽出構造体の配置を、実験またはラフな計算などの他の方法で決定することができる。また、光パイプ３０の表面は平坦にすることができ、光パイプ３０は、光抽出構造体を含む必要はない。

管１２の円周上に単一のＬＥＤアセンブリ１４のみがある場合、光パイプ３０は、回転が開始されてからＬＥＤアセンブリ１４の反対側で終了する前に、管１２の内部での回転全体をほとんど完了する。これにより、管１２の円柱全体にわたって殆ど配光する。動作においては、ＬＥＤ１６により発される一部の光は、管１２の臨界角より小さい入射角を有する管１２に照射し、管１２を出て、一部が管１２の臨界角以上の入射角を有する管１２に照射して、管１２に戻って屈折し、一部が最初に光パイプ３０に接触する。光パイプ３０は、照射する光を反射させて管１２の方へ戻す。従って、光線は管１２を出る前に円弧部によって跳ね返り、その結果、円弧部による均一な配光を生じる。

図７に示す実施形態は、側面照射ＬＥＤ１６と、第５実施形態における光パイプ３０と類似した光パイプ３０とを特徴とする。側面照射ＬＥＤ１６は、ＬＥＤ１６が向いている方向にほぼ直角な方向に円盤状の光を発する。ＬＥＤ１６は、ＬＥＤ１６が管１２の局所的な接線に平行に光を発する。この実施形態では、回路基板１８およびヒートシンク２０が、管１２の内側のＬＥＤ１６の下に取り付けられている。また、回路基板１８およびヒートシンク２０は、管１２の外側に取り付けられている。光パイプ３０は、管１２の内側の周りに湾曲し、ＬＥＤ１６の一方の面から他方の面まで延び、管１２と光パイプ３０との間にチャネルを形成する。光パイプ３０は、ＬＥＤ１６から最も遠い光パイプ３０の部分が管１２に最も近くなるようにテーパがかけられている。光パイプ３０のテーパ形状は、光の量が少ないとき、高比率の光を管１２から出させ、管１２の円周周辺で均一な配光を生じる。従って、光はＬＥＤ１６の側面を出て、管１２の円周周辺で曲がり、光が臨界角より小さい角度で管１２を照射するまで管１２と光パイプ３０との間で反射して、管１２を出る。また、複数のＬＥＤアセンブリ１４を、管１２の円周周囲に配置することができ、この場合、光パイプ３０は、ＬＥＤアセンブリ１４の各々の間に延びる。また、光抽出構造体も、前の実施形態で説明したように、光パイプ３０上に配置することができる。

上述した実施形態は、本発明を容易に理解できるように説明されている。その内容は、本発明を限定するものではない。これに反して、本発明は添付の請求の範囲内に含まれる様々な改良および均等な構造を含むことを意図している。その範囲は、このような法律によって許容される改良および均等な構造の全てを含むような最も幅広い解釈によるものとする。

Claims (10)

1. 従来の蛍光管照明器具の従来の蛍光管に置き換えられるための発光ダイオード（ＬＥＤ）照明装置であって、
   少なくとも１つの管部を有する管状ハウジングと、
   複数のＬＥＤを有する第１のＬＥＤアセンブリと、を備え、前記第１のＬＥＤアセンブリは、前記管状ハウジングの第１の長手方向の長さに沿って配置され、前記管状ハウジングの内側に対向するように方向付けられ、
   前記ＬＥＤ照明装置は、複数のＬＥＤを有する第２のＬＥＤアセンブリを備え、前記第２のＬＥＤアセンブリは、前記管状ハウジングの第２の長手方向の長さに取り付けられ、前記管状ハウジングの内側に対向するように方向付けられた、前記第１のＬＥＤアセンブリおよび前記第２のＬＥＤアセンブリは、前記管状ハウジングの中心に対して１８０°間隔を置いて離れ、互いに対向するように方向付けられ、
   前記ＬＥＤ照明装置は、前記管状ハウジングの内側に反射面を備え、前記反射面は、前記管部の内径に亘って拡がり、第１の凹面および第２の凹面を有し、前記第１のＬＥＤアセンブリは、前記第１の凹面に対向し、前記第２のＬＥＤアセンブリは、前記第２の凹面に対向している、ＬＥＤ照明装置。
2. 前記第１のＬＥＤアセンブリおよび前記第２のＬＥＤアセンブリは、前記管状ハウジングの径に対して所定の角度に方向付けられている、請求項１のＬＥＤ照明装置。
3. 前記第１のＬＥＤアセンブリの周辺部に光を向けるために、前記反射面の前記第１の凹面の中心点から突出したリップをさらに備えた、請求項１のＬＥＤ照明装置。
4. 前記反射面は拡散面を有する、請求項１のＬＥＤ照明装置。
5. 前記反射面は、前記反射面と前記管部との接合部に配置された屈曲部を有し、前記屈曲部によって、前記第１のＬＥＤアセンブリの周辺部に光を向けるように曲げられている、請求項１のＬＥＤ照明装置。
6. 各管部は、円弧状の断面、透明な外側層、拡散内部層を有し、ポリカーボネート、アクリル、およびガラスの少なくとも１つより作製される、請求項１のＬＥＤ照明装置。
7. 前記第１のＬＥＤアセンブリおよび前記第２のＬＥＤアセンブリに取り付けられた第１の半円形の管部と、
   前記第１のＬＥＤアセンブリおよび前記第２のＬＥＤアセンブリに取り付けられた第２の半円形の管部と、をさらに備えた、請求項６のＬＥＤ照明装置。
8. 前記第１のＬＥＤアセンブリに取り付けられた第１のヒートシンクと、
   前記第２のＬＥＤアセンブリに取り付けられた第２のヒートシンクと、をさらに備えた、請求項１のＬＥＤ照明装置。
9. 前記管状ハウジングは、円形断面を有する１つの管部を備えた、請求項１のＬＥＤ照明装置。
10. 前記第１のＬＥＤアセンブリおよび前記第２のＬＥＤアセンブリの各々は、それぞれ複数のＬＥＤを支持する回路基板を備えた、請求項１のＬＥＤ照明装置。

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