JP6241599B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学部材を用いて配光制御する照明装置に関する。

ＬＥＤスポットライトやＬＥＤユニバーサルダウンライトなど、様々な配光バリエーションのある照明装置が提案されている。これらの照明装置を用いると、例えば店舗や食品スーパー、居住空間などにおいて、用途に合わせた光の演出（空間演出）を行なうことができる。

ＬＥＤスポットライトやＬＥＤユニバーサルダウンライトなどでは、配光バリエーションを制御するために光源の照射方向側に光学レンズを設置して用いることが多い。光学レンズには様々な種類があり、所望の用途に合わせて選択した光学レンズを設置することで拡散や狭角から広角まで幅広く配光を制御することができる。これにより、例えば、スポット的に照射物を照らすなど用途に合わせた様々な光の演出をすることができる。また、上記のような照明装置では、光源としてハイパワーで多粒タイプのＬＥＤが採用されることが多く、光学レンズもそれに合わせて多粒のカップ形レンズが採用されることが一般的である。

しかし、近年、光源として集積型のＬＥＤモジュールを採用することも増えてきている。集積型のＬＥＤモジュールは発光部サイズが大きいため、光学レンズとして従来のカップ形レンズを採用すると、光学レンズのサイズが大きくなってしまう。

そこで、光学レンズを薄く小さくするために、光学レンズとしてフレネルレンズを採用することが提案されている（例えば特許文献１）。

特開２００７−１４８０１７号公報

しかしながら、光学レンズとしてフレネルレンズを採用する場合、光源とフレネルレンズとには一定の距離がある。そのため、光源よりフレネルレンズに入射される光の角度によっては、フレネルレンズで全反射せずそのままフレネルレンズを抜けてしまう。つまり、光学レンズとしてフレネルレンズを採用する場合、配光制御できない光（光ロス）が発生してしまい中心光度や光束が低下するという課題がある。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、配光制御できない光（光ロス）を低減することができる光学部材を備える照明装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る照明装置の一態様は、光源と、前記光源から入射された光を出射する光学部材とを備え、前記光学部材は、前記光源の光が直接的に入射する入射面と、前記入射面に入射した光を反射することで前記光を出射する反射面とを有する突起部を備え、前記反射面は、前記突起部の頂部を形成する第１反射面と、前記第１反射面に連接する第２反射面とを有し、前記第１反射面と前記入射面とのなす角度は、前記第２反射面と前記入射面とのなす角度よりも大きい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記第１反射面と前記第２反射面とが連接する位置であって前記入射面とのなす角度が変わる位置である変曲点で反射される光と前記光学部材の光軸とのなす角度は、前記第２反射面と前記光軸とのなす角度よりも小さいとしてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記第２反射面と、前記第２反射面と連接する前記光学部材の平面部とのなす角度であって前記突起部の外角となる角度は、９０度よりも大きいとしてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、さらに、前記第２反射面に連接する第３反射面を有し、前記第３反射面と前記入射面とのなす角度は、前記第１反射面と前記入射面とのなす角度よりも小さく、かつ、前記第２反射面と前記入射面とのなす角度よりも小さいとしてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記突起部は、複数あり、前記第１反射面と前記第２反射面とが連接する位置であって前記入射面とのなす角度が変わる位置である変曲点は、前記複数の突起部の並び方向において前記光学部材の中心から遠ざかるほど前記突起部の頂部から遠ざかる位置に設けられるとしてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記光学部材の光軸を含む断面において、前記第１反射面は、略平面であるとしてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記光学部材は、フレネルレンズであるとしてもよい。

本発明によれば、配光制御できない光（光ロス）を低減することができる光学部材を備える照明装置を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る照明装置の分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る照明装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係る光学部材の一例の断面図である。 本発明の実施の形態に係る光学部材の一部断面図である。 本発明の実施の形態に係る突起部の要部断面図である。 本発明の実施の形態に係る突起部の要部断面図である。 比較例に係る光学部材の一部断面図である。 本発明の実施の形態の光学部材の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、工程（ステップ）、工程の順序などは、一例であって本発明を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
まず、本発明の実施の形態に係る照明装置１について、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置の分解斜視図である。図２は、図１の照明装置の断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る光学部材の一例の断面図である。

図１および図２に示す照明装置１は、例えばスポットライトや下方に光を照明するダウンライト等の照明器具に用いられる。

照明装置１は、光学部材１０と、光源２０と、反射板３０と、器具本体４０と、枠体５０とを備える。照明装置１は、図１に示すように、器具本体４０と光源２０と反射板３０と光学部材１０と枠体５０とがこの順で積層されて構成される。

以下、照明装置１における各構成部材について詳細に説明する。

［光源２０］
まず、光源２０について説明する。

光源２０は、例えば発光素子を有する発光モジュールであって、所定の光を放射状に放出するＬＥＤ光源である。光源２０は、例えば白色光を放出するように構成されている。光源２０は、基台２０ｂと基台２０ｂ上に実装されたベアチップである複数のＬＥＤ２０ａと、それらＬＥＤ２０ａを封止する封止部材とを備える。なお、図２に示す照明装置１において、光源２０の光軸は鉛直方向（図で下方向）である。

基台２０ｂは、複数のＬＥＤ２０ａを実装するための実装基板であって、例えば樹脂基板、セラミックス基板又は絶縁被覆されたメタルベース基板等である。また、基台２０ｂは、例えば平面視が矩形形状である平面を有する板状であり、基台２０ｂの底面（図２の上側）が器具本体４０に取り付けられて固定される。なお、図示しないが、基台２０ｂには、ＬＥＤ２０ａ（光源２０）を発光させるための直流電力を外部から受電するための一対の電極端子（正電極端子及び負電極端子）が形成されている。

［反射板３０］
次に、反射板３０について説明する。反射板３０は、反射機能を有し、光源２０からの光が入射する開口である入射口と、入射口から入射した光が反射板３０から出射する開口である出射口とを有する。反射板３０は、内径が入射口から出射口に向かって漸次大きくなるように構成された円環枠状（漏斗状）であり、例えばポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）など硬質の白色樹脂材料を用いて形成することができる。

反射板３０の内周面は、光源２０からの光を反射する反射面となっており、入射口から入射した光を反射させて出射口から出射させるように構成されている。

なお、反射板３０は、アルミニウム等の金属材料により形成するとしてもよい。また、反射板３０は、樹脂により形成され、反射板３０の内面に、反射面として、銀やアルミニウム等の金属材料からなる金属蒸着膜（金属反射膜）を形成するとしてもよい。

［器具本体４０］
次に、器具本体４０について説明する。器具本体４０は、光源２０を内部で支持する。

本実施の形態では、器具本体４０は、光源２０が取り付けられる取付台であるとともに、光源２０で発生する熱を放熱するヒートシンクである。器具本体４０は、金属材料を用いて略円柱状に形成され、例えばアルミダイカスト工程を経て形成される。

具体的には、器具本体４０は、光源２０を取り付けるための取付部を有する。つまり、器具本体４０は、光源２０を取付部に取り付けることで光源２０を固定する。なお、器具本体４０は、光源２０を直接固定する場合に限らず、器具本体４０の取付部に放熱部材（ヒートシンク）を介して、固定するとしてもよい。

また、図１に示すように、器具本体４０の下部（図１で下部）には、下方に向かって突出する複数の放熱フィンが設けられている。これにより、光源２０で発生する熱を効率よく放熱させることができる。

［枠体５０］
次に、枠体５０について説明する。枠体５０は、例えば灯具であり、器具本体４０に取り付けられることで、器具本体４０と枠体５０とで光学部材１０と反射板３０とを固定する。

枠体５０の上端部（図２で上端部）には、径方向の外向きに突出するフランジが周方向に亘って一体に形成されている。また、枠体５０の上部には、光学部材１０を通過した光源２０からの光が入射する入射口が設けられている。また、枠体５０の下部には、枠体５０に入射した光を外部に出射させる出射口が設けられている。これら入射口及び出射口は円形状に開口されている。

枠体５０は、器具本体４０と同様に、金属材料を用いて略円柱状に形成され、例えばアルミダイカスト工程を経て形成される。

［光学部材１０］
次に、光学部材１０について説明する。光学部材１０は、器具本体４０の光源２０と対向する位置に配置され、光源２０から入射された光を出射する。

本実施の形態における光学部材１０は、枠体５０の内底面に固定され、光学部材１０の厚さ方向の一方の面（図２で上側面）から入射した光源２０の光を当該一方の面に対向する他の面（図２で下側面）から出射させる。

光学部材１０は、透光性材料を用いて形成されており、例えばＰＭＭＡ（アクリル）、ポリカーボネート等の透明樹脂材料、または、ガラス材料等の絶縁性を有する透明材料を用いて形成することができる。

ここで、光学部材１０について、図２を参照しながら、図３〜図６を用いて詳述する。図３は実施の形態に係る光学部材の一例の断面図であり、図４は実施の形態に係る光学部材の一例の一部断面図である。図５および図６は、実施の形態に係る突起部の要部断面図であり、図４の領域Ｘにおける突起部の断面図である。

図３に示すように、光学部材１０は、厚さ方向の一方の面に形成された多角形状のレンズである突起部１１と、平面部１２とを有する。光学部材１０は、突起部１１側に光が入射され、平面部１２側（出射面１０１）から略鉛直方向に光を出射する。

また、光学部材１０は、図４に示すように、光源２０の光が直接的に入射する入射面１１１と、入射面１１１に入射した光を反射することで光を出射する反射面１１２とを有する突起部を備える。

なお、本実施の形態では、光学部材１０の一例として、突起部１１は例えばフレネル形状を有するレンズ（フレネルレンズ）を用いて説明しているが、この例に限らない。厚さ方向の一方の面の中央部に、屈折または透過するレンズが形成され、中央部を除く領域に全反射する多角形状のレンズである突起部１１が形成され、厚さ方向の一方から入射した光を厚さ方向の他方から出射するものであればよい。

反射面１１２は、図４および図５に示すように、突起部１１の頂部を形成する第１反射面１１２ａと、第１反射面１１２ａに連接する第２反射面１１２ｂとを有する。第１反射面１１２ａと入射面１１１とのなす角度θ１は、第２反射面１１２ｂと入射面１１１とのなす角度θ２よりも大きい。つまり、θ１＞θ２の関係を満たす。

このように、第２反射面１１２ｂは、第１反射面１１２ａの面（図５ではＬ１）よりも内側（入射面１１１側）に形成されている。ここで、例えば反射面１１２を第１反射面１１２ａのみで形成する場合には水平面１１３付近を通過する光を反射することができない。その一方で、反射面１１２を第１反射面１１２ａと第２反射面１１２ｂとで形成することで、水平面１１３付近を通過する光を第２反射面１１２ｂで反射することができる。つまり、第１反射面１１２ａのみで反射面１１２を形成する場合には、反射面１１２に当たらず抜けてしまっていた光も第２反射面１１２ｂを設けることで、反射（光制御）させることができる。これにより、光学部材１０に入射されるが平面部１２側から略鉛直方向に出射されない光（光ロス）を低減することができ、より多くの光を光学部材１０の平面部１２側から略鉛直方向に出射することができる。

また、第１反射面１１２ａと第２反射面１１２ｂとが連接する位置であって入射面１１１とのなす角度が変わる位置である変曲点（図で位置Ａ）で反射される光と光学部材１０の光軸ｂ１とのなす角度θ３は、第２反射面１１２ｂと光軸ｂ１とのなす角度θ４より小さい（θ３＜θ４を満たす）ことが好ましい。

これにより、入射面１１１に入射した光（Ｐ１）が屈折して変曲点（図で位置Ａ）に進み（Ｐ２）、第２反射面１１２ｂの変曲点（図で位置Ａ）で反射した光（Ｐ３）は、光軸ｂ１より第２反射面１１２ｂ側を進むことができる。つまり、θ３＜θ４を満たすように第２反射面１１２ｂを形成することにより、第１反射面１１２ａで反射された光が第２反射面１１２ｂに当たることを防止できるので光ロスが生じにくくなる。

また、第２反射面１１２ｂと、第２反射面１１２ｂと連接する光学部材の平面部（水平面１１３）とのなす角度θ５であって突起部１１の外角となる角度θ５は、９０度よりも大きい。この条件を満たすことにより、本実施の形態の突起部１１は製造することができる。

ここで、図６を用いて、反射面１１２の変曲点を設けるべき位置について説明する。

反射面１１２（第１反射面１１２ａおよび第２反射面１１２ｂ）のうち第１反射面１１２ａでは、突起部１１に入射される主な光を反射して狙いたい方向（図で略鉛直方向）に進める光制御を行うことができる。これにより光学部材１０のビーム角および中心光度を高めることができる。

そのため、極端に変曲点を突起部１１の頂部側の位置Ｂに設けると、第２反射面１１２ｂで反射される光が支配的になり、狙いたい方向に光を進める光制御をすることができなくなる。したがって、変曲点を、突起部１１の頂部から離れた位置に設けることが好ましく、反射面１１２の中心付近、かつ、１／２ビーム角や中心光度が変わらない程度、例えば位置Ａに設けると良い。

なお、上述したように、変曲点を図６のＡ点に設けた場合、図５に示すθ３＜θ４を満たすように第２反射面１１２ｂを設けることが好ましい。なぜなら、それを満たさない場合（θ３≧θ４）には、第１反射面１１２ａで反射された光が第２反射面１１２ｂに当たり光ロスが生じてしまうからである。

また、変曲点を図６の位置Ｃに設けるとしてもよい。この場合、位置Ｃの変曲点で反射した光（Ｐ４）が第２反射面１１２ｂ（図でＬ３）よりも入射面１１１側で進む必要がある。また、第２反射面１１２ｂ（図でＬ６）と、第２反射面１１２ｂと連接する光学部材の平面部（水平面１１３）とのなす角度θ５であって突起部１１の外角となる角度θ５は、上述したように、９０度よりも大きいことが必要である。すなわち、角度θ５は、９０°＋α（αは抜き勾配と臨界角）であることが必要である。

このような位置に変曲点を設けることにより、光学部材１０に入射されるが平面部１２側から略鉛直方向に出射されない光（光ロス）を低減することができ、より多くの光を光学部材１０の平面部１２側から略鉛直方向に出射することができる。

［効果］
以上のようにして、配光制御できない光（光ロス）を低減することができる光学部材を備える照明装置を実現することができる。

ここで、図７および図８を用いて、本実施の形態の照明装置の効果について具体的に説明する。図７は、比較例に係る光学部材の一部断面図であり、図８は本実施の形態の光学部材の断面図である。

図７の比較例では、突起部９１の反射面９１２を第１反射面のみで形成した場合の光学部材９０が示されており、突起部９１間の谷の水平面９１３付近（図で領域Ｙ１）を通過する光（Ｐ５）を反射することができないのがわかる。

それに対して、図８に示す本実施の形態の光学部材では、反射面１１２が第１反射面１１２ａと第２反射面１１２ｂとで形成されることで、水平面１１３付近（図で領域Ｙ２）を通過する光を第２反射面１１２ｂで反射することができるのがわかる。ここで、Ｌ１は、第１反射面１１２ａを延長した仮想面を示している。つまり、第１反射面１１２ａのみで反射面１１２を形成する場合には、反射面１１２（図でＬ１）に当たらず抜けてしまっていた光（Ｐ６）が、第２反射面１１２ｂで反射されていること（例えば図でＰ７）がわかる。

このように、本実施の形態の光学部材１０によれば、光学部材１０に入射されるが平面部１２側から略鉛直方向に出射されない光（光ロス）を低減することができ、より多くの光を光学部材１０の平面部１２側から略鉛直方向に出射することができる。

なお、表１は、比較例と本開示における照明装置のレンズ位置ズレによる光度とビーム角変化を示したものである。表１において、位置ズレ距離（ｍｍ）とは、図２に示すように光学部材９０と光源２０との間を一定の距離（例えばｄ）になるよう設置した場合でも、実際の距離はｄ±△ｄ（ｍｍ）となってしまうときの△ｄ（ｍｍ）である。比較例の照明装置は、上記の光学部材９０を用いた場合であり、本開示における照明装置は、実施の形態における照明装置１である。

表１から、本開示の照明装置では、位置ズレによる光学特性の影響が少ないのがわかる。実際に照明装置を製造する際には、光源と光学部材とで少なからず位置ズレが生じるので、照明装置に上記実施の形態で説明した光学部材１０を用いることで、照明装置の品質性能を向上することができる。例えば、同一空間での複数の照明装置を取り付けることで多灯を実現した場合でも光学特性のばらつきを抑えることができるなどの効果を奏する。

（その他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る照明装置について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。

例えば、本実施の形態では、多段形状の反射面１１２の一例として、第１反射面１１２ａと第２反射面１１２ｂの２段形状に反射面１１２が形成される場合の例について説明するが、それに限らず、３段形状でもよい。この場合、さらに、第２反射面１１２ｂに連接する第３反射面を有し、第３反射面と入射面１１１とのなす角度は、第１反射面１１２ａと入射面１１１とのなす角度θ１よりも小さく、かつ、第２反射面１１２ｂと入射面１１１とのなす角度θ２よりも小さければよい。また、反射面１１２は、４以上の多段形状でもよい。この場合も、多段形状の反射面は、頂部から底部の段の反射面であるほど入射面１１１とのなす角度は小さくなるように形成すればよい。

また、光学部材１０の光軸を含む断面において、第１反射面１１２ａおよび第２反射面１１２ｂは、略平面であるとして説明したが、アール形状（放物線の一部など）からなる曲面でもよい。同様に、多段形状の反射面１１２のそれぞれは、略平面でもよく、アール形状（放物線の一部など）からなる曲面でもよい。

また、実施の形態の光学部材１０は、複数の突起部１１を備え、すべての突起部１１に、第１反射面１１２ａおよび第２反射面１１２ｂを設けるとして説明したがそれに限らない。

例えば、少なくとも最外側の突起部１１に第１反射面１１２ａおよび第２反射面１１２ｂを設けるとしてもよい。これにより、光（光ロス）を低減する効果を奏することができるからである。

また、すべてを含む複数の突起部１１に第１反射面１１２ａおよび第２反射面１１２ｂを設ける場合でも、それらの変曲点の位置は固定でなくてもよい。光学部材において最外側に近づくほど変曲点の位置が頂部から離れるとしてもよい。すなわち、第１反射面１１２ａと第２反射面１１２ｂとが連接する位置であって入射面１１１とのなす角度が変わる位置である変曲点は、複数の突起部１１の並び方向において光学部材１０の中心から遠ざかるほど突起部１１の頂部から遠ざかる位置に設けられるとしてもよい。

また、上記実施の形態では、光源２０は、ＬＥＤ光源として説明したが、それに限らず電球でもよく、有機発光素子としてもよい。

以上、本発明によれば、光源からの光が直接的に入射する入射面と、前記入射面に入射した光が照射される反射面とを有したレンズで多段式の反射面を備える光学部材を用いることで、配光制御できない光（光ロス）を低減することができる照明装置を実現することができる。

以上、一つまたは複数の態様に係る照明装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態や、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。

１ 照明装置
１０、９０ 光学部材
１１、９１ 突起部
１２ 平面部
２０ 光源
２０ａ ＬＥＤ
２０ｂ 基台
３０ 反射板
４０ 器具本体
５０ 枠体
１０１ 出射面
１１１、９１１ 入射面
１１２、９１２ 反射面
１１２ａ 第１反射面
１１２ｂ 第２反射面
１１３ 水平面

Claims (6)

1. 光源と、
   前記光源から入射された光を出射する光学部材とを備え、
   前記光学部材は、
   前記光源の光が直接的に入射する入射面と、前記入射面に入射した光を反射することで前記光を出射する反射面とを有する突起部を備え、
   前記反射面は、前記突起部の頂部を形成する第１反射面と、前記第１反射面に連接する第２反射面とを有し、
   前記第１反射面と前記入射面とのなす角度は、前記第２反射面と前記入射面とのなす角度よりも大きく、
   前記反射面は、さらに、前記第２反射面に連接する第３反射面を有し、
   前記第３反射面と前記入射面とのなす角度は、前記第１反射面と前記入射面とのなす角度よりも小さく、かつ、前記第２反射面と前記入射面とのなす角度よりも小さい、
   照明装置。
2. 前記第１反射面と前記第２反射面とが連接する位置であって前記入射面とのなす角度が変わる位置である変曲点で反射される光と前記光学部材の光軸とのなす角度は、前記第２反射面と前記光軸とのなす角度よりも小さい、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第２反射面と、前記第２反射面と連接する前記光学部材の平面部とのなす角度であって前記突起部の外角となる角度は、９０度よりも大きい、
   請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記突起部は、複数あり、
   前記第１反射面と前記第２反射面とが連接する位置であって前記入射面とのなす角度が変わる位置である変曲点は、前記複数の突起部の並び方向において前記光学部材の中心から遠ざかるほど前記突起部の頂部から遠ざかる位置に設けられる、
   請求項１または２に記載の照明装置。
5. 前記光学部材の光軸を含む断面において、
   前記第１反射面は、略平面である、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光学部材は、フレネルレンズである、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明装置。

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