JP6360145B2 - 指向性ランプのための光学システム - Google Patents

Description

本開示の態様は、一般に、光学システムに関し、具体的には、チップオンボード（ＣＯＢ）の発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる光エンジンのためのリフレクタアセンブリに関する。

指向性ランプは、一般に、高光度の焦点光線によってオフィス空間及び生活空間などの空間内の領域を照明するために商業用及び住居用の建物において用いられている。このようなランプは、照明が求められる場所に選択的に配置され得るため、大きなオフィス空間を照らすのに特に有用であり、コスト効率が良い。これは、照明が必要であるか否かにかかわらず全体の領域又は空間を概ね照らす無指向性ライトと対照的である。選択的配置に加えて、指向性ランプは、多くの場合、見た目をすっきりときれいにするために天井構造と面一に又は天井の凹所に取り付けられる。指向的なライティングは、様々な利点及び機能をもたらすが、指向性及び取付けの要件が、これまで満足に対処されてこなかったいくつかの設計上の課題及び困難をもたらす場合がある。

一般的に、ターゲット領域での光の強度を低下させることなく光が広範に放たれるように指向性ランプを構成することが求められる。一体型ＬＥＤランプに関するエネルギースター要件から選び取られる、このような指向性ランプの基準の１つは、光エネルギーの少なくとも８０％が、所定の角度領域又は角度境界内に入り、残りが、境界の外に散乱することである。この度合いの指向性を達成するために、従来技術のランプは、典型的には、放物面形状又は双曲面形状を有するリフレクタを含む。この形状又は外形を有するランプリフレクタにおいて、リフレクタの焦点に配置された光は、指向性の光の平行ビーム（平行な光エネルギーのビームとも呼ばれる）として配分される。このことは、光エネルギーの散乱アレイを発生させる従来の白熱電球と対照的である。

選択領域内に光エネルギーの焦点を合わせることに加えて、一般的に、指向性ランプは柔らかくて視覚的に心地よい光のビームを放射すべきであることが求められる。前の段落で述べられているような、指向性ランプのための放物面又は双曲面のリフレクタ形状は、光に指向性をもたせるために使用され得るが、この形状は、使用者の目には好ましくない場合がある高光度の光のビームを生成する傾向にある。さらに、このようなリフレクタを用いるランプのアレイは、光学的環境内の均一な範囲を実現するために高密度のライト（すなわち、複数の密集したランプ）を必要とする場合がある。結果として、空間を照明するために、付随するコストの増加を伴うより多くの電力（すなわち、ワット数）が必要とされる。

指向性ランプは、ランプを点灯するために使用される電気エネルギーのおよそ７０パーセント（７０％）が、熱に変換されるため、比較的大きな量の熱を放散しなければならない。凹所への取付けによって課される空間的制約が、熱放散に利用可能な経路を制限又は限定し得ることが理解されよう。したがって、適切なヒートシンクを設けなければならない。

光学的かつコスト的に効率の良いものでありながら、幅が広くて柔らかな（すなわち、視覚的に心地よい）発光を放ち、また熱放散のための効率的な経路を実現する光学システムを提供することは好適である。

したがって、上で確認した問題の少なくとも一部を解決する光エンジンを提供することが望ましい。

国際公開第２０１３／００６２３９号パンフレット

本明細書で説明されているように、例示的な実施形態は、当該技術分野で知られている上記の又は他の欠点の１つ以上を克服する。

本開示の一態様は、指向性ランプアセンブリに関する。一実施形態では、指向性ランプアセンブリは、光源と、第１の部分及び第２の部分を有するリフレクタであって光源から放射された光をターゲット領域に向けるように動作するリフレクタと、リフレクタを取り囲むヒートシンクであって光源で発生した熱を放散するように動作するヒートシンクと、光源の上方に配置された光拡散レンズであってターゲット領域に向かう光を透過するように動作する光拡散レンズとを含み、リフレクタの第２の部分は、第１の部分の半径方向外側に配置されていて、ヒートシンクと共に一体に形成されている。

本開示の別の態様は、光源を生じる光エンジンと、光源で発生した熱を放散するように動作するヒートシンクと、ターゲット領域に向けて光を透過するように動作するカバーレンズとを有する指向性ランプアセンブリのためのリフレクタに関する。一実施形態では、リフレクタは、光エンジンを受け入れるためのアパーチャを有し、かつ、円錐角θをなす第１の円錐面を有する第１のリフレクタ部分と、第１のリフレクタ部分の半径方向外側に第１のリフレクタ部分と組合せて配置された第２のリフレクタ部分であって、ヒートシンクと共に一体に形成されている、円錐角βをなす第２の円錐面を有する第２のリフレクタ部分とを含む。

例示的な実施形態に関するこれらの及び他の態様及び利点は、添付図面に関連して考察される以下の詳細な説明から明らかとなる。しかしながら、図面が、もっぱら例証のために考案されており、本発明の境界の定義（これに関しては、添付の特許請求の範囲を参照すべきである）として考案されているわけではないことが理解されるべきである。本発明のさらなる態様及び利点は、以下の説明において述べられ、この説明から部分的に明らかになり得るし、又は本発明の実施によって学ばれ得る。さらに、本発明の態様及び利点は、特に添付の特許請求の範囲で指摘されている手段及び組合せを用いて実現され、得られ得る。

本開示の態様を組み込んだ指向性ランプアセンブリのための光学システムの一実施形態の切断側面斜視図を示している。 図１に描かれている指向性ランプアセンブリの切断上面図である。 実質的に図２の線３−３に沿った、指向性ランプアセンブリの拡大断面図である。 本開示の態様を組み込んだ円錐形状のリフレクタアセンブリの一実施形態の円錐角及び高さ比率に応じた光学効率及び配光の輪郭線のグラフである。

該当する場合、同じ参照符号は、複数の図を通して同じ又は対応する構成要素及びユニットを示している。なお、これらの図は、別段の指示がない限り、一定の縮尺のものではない。

図１を参照すると、本開示の態様を組み込んだ指向性ライトアセンブリの一実施形態が、全体を通して参照符号１０によって示されている。開示されている実施形態の態様は、一般的に指向性ライトアセンブリ１０に関し、指向性ライトアセンブリ１０は、光源１０２と、リフレクタ１２０と、光源１０２を取り囲んでいるヒートシンク１３０と、光源１０２の上方に配置された光拡散レンズ１４０とを含む。一実施形態では、リフレクタ１２０は、光源１０２によって生成された光にターゲット領域（図示せず）を指向させるように構成される。光拡散レンズ１４０は、ターゲット領域にわたって実質的に均一な配光を行うように構成されている。

一実施形態では、リフレクタ１２０は、第１の部分１２２及び第２の部分１２４を含む。図１の実施形態に示すように、リフレクタ１２０の第２の部分１２４は、長手方向対称軸線１０Ａを基準として第１の部分１２２の半径方向外側に配置されており、ヒートシンク１３０の上部と一体的に形成されている。一実施形態では、リフレクタ１２０の第１の部分１２２は、光エンジン１００を受け入れるためのアパーチャ１２６を含む。ヒートシンク１３０は、リフレクタ１２０の第１の部分１２２を支持しており、また、光源１０２によって発生した熱の放散を高めるためにリフレクタ１２０の第２の部分１２４を一体的に形成している。光拡散レンズ１４０は、ターゲット領域に向けて光を透過するように、光源１０２によって生成された光（及びリフレクタ１２０の第１の部分１２２及び第２の部分１２４から反射された光）と相互作用する。

光エンジン１００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの単一光源１０２を備える。一実施形態では、光エンジン１００は、チップオンボード（ＣＯＢ）の発光ダイオードを備える。開示されている実施形態の態様は、本明細書では一般的に、単一の、チップオンボードの発光ダイオードを備える光エンジン１００との関連で説明されているが、様々な光源のうちの任意の光源が、本開示の態様を組み込んだ指向性ライトアセンブリ１０において用いられてもよい。例えば、指向性ライトアセンブリ１０は、ＬＥＤのアレイ又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）及びポリマー発光ダイオード（ＰＬＥＤ）などの他の固体照明源を含んでもよい。したがって、本明細書の開示は、指向性ライトアセンブリ１０のシステムの一実施形態の例示に過ぎず、添付の特許請求の範囲を考慮して広く解釈されるべきであることが理解される。

図１に示す実施形態では、光エンジン１００は、ヒートシンク１３０内に配置されており、制御電子装置１０４によって電力供給される。図１に示す制御電子装置１０４は、指向性ランプアセンブリ１０の下端キャップ１０６内に収容されている。

上で指摘したように、リフレクタ１２０の第１の部分１２２は、光エンジン１００、より詳細には、光源１０２を受け入れるためのアパーチャ１２６を含む。一実施形態では、第１の部分１２２はまた、光エンジン１００をヒートシンク１３０に固定するように構成され、これにより、熱放散の第１の経路、すなわち、光源１０２によって発生した熱を放散するための経路が形成される。さらに、第１の部分１２２は、ヒートシンク１３０のキャビティー１３２内に配置され、第１の部分１２２の下面に沿って配置されたいくつかの軸方向支柱１３４（図１及び図２に示す）によってそれに固定されている。

図１及び図２を参照すると、説明されている実施形態では、第１のリフレクタ部分１２２は、光源１０２から離れる方向に広がる円錐台の形状を概ね有する第１の円錐面１２８を有する。より具体的に言うと、第１の円錐面１２８は、円錐台の小さな方の断面の端部が光生成素子１０２を受け入れるためのアパーチャ１２６を形成するように構成されている。円錐台の大きな方の断面の端部（又は底面）は、キャビティー１３２の縁部１３６に接している。

リフレクタ１２０の第２の部分１２４は、第１の部分１２２の半径方向外側に配置されており、第２の円錐面１３８を有する。図１及び図２に示すように、第２の円錐面１３８は、中心の長手方向対称軸線１０Ａを基準として第１の円錐面１２８の半径方向外側にある。第２の円錐面１３８は、光源１０２から離れる方向に広がる円錐台の形状を概ね有する。

図３を参照すると、第１の円錐面１２８は、約２８度（２８°）〜約３８度（３８°）の範囲内の円錐角θをなす。第２の円錐面１３８は、約８０度（８０°）〜約９０度（９０°）の範囲内の円錐角βをなす。一実施形態では、第２の円錐面１３８は、第１の円錐面１２８の角度傾斜の約２倍を上回る角度βで広がっている。結果として、光源１０２から第２の円錐面１３８までの真っ直ぐな「ラインオブサイト（ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｉｇｈｔ）」は存在せず、また、第２の円錐面１３８によって再指向される光は、最初に、光拡散レンズ１４０と相互作用するか、又は光拡散レンズ１４０から方向転換されるはずである。すなわち、光の一部分が、最初に光拡散レンズ１４０を透過する一方で、光の別の部分は、指向性ランプアセンブリ１０（例えば、第２の円錐面１３８）に向かって後方に反射する。結果として、光は、より柔らかくてより均一な配光が行われるように第２の円錐面１３８から光拡散レンズ１４０へ再指向され、光拡散レンズ１４０を透過する。

この効果を理解するために、光源１０２からの光の第１の部分は、第１の円錐面１２８によって指向又は反射され、ターゲット領域の第１の部分に送られると考えることができる。さらに、光拡散レンズ１４０と相互作用する、光源１０２からの光の別の部分は、第２の円錐面１３８へ向けて後方に、すなわち下方に再指向される。次に、光は、第２の円錐面１３８によって反射され、拡散レンズ１４０に再度送られる。光の第２の反射（又は反射のその後の反復）において、光は、レンズ１４０を透過するが、ターゲット領域の第２のより大きな部分に送られる。結果として、第１の円錐面１２８及び第２の円錐面１３８の角度構成（段階的構成とも呼ばれる）は、より柔らかくてより均一な配光をもたらす。

図３を参照すると、第２のリフレクタ部分１２４は、ヒートシンク１３０と共に一体に形成されている。ヒートシンク１３０への第２のリフレクタ部分１２４の一体化は、熱放散のための第２の経路を実現し、熱放散の第１の経路は、第１のリフレクタ部分１２２によって設けられる。第２のリフレクタ部分１２４の表面積によっては、この第２の経路は、熱放散のための主要な（すなわち、主な）経路となり得る。熱放散のための経路を設けることに加えて、ヒートシンク１３０への第２のリフレクタ部分１２４の一体化は、指向性ライトアセンブリ１０に関連する構成部品の総数及びこれに関連するコストを低減する。

説明されている実施形態では、第１のリフレクタ部分１２２は、ポリカーボネート材料からなる。適切なポリカーボネート材料は、米国のジョージア州ノークロス（Ｎｏｒｃｒｏｓｓ）に本部がある帝人化成株式会社（Ｔｅｉｊｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＬＴＤ．）によって製造されている商標パンライト（Ｐａｎｌｉｔｅ）（登録商標）として販売されている。第２のリフレクタ部分１２４は、ヒートシンク１３０の第２の円錐面１３８（すなわち、ヒートシンク１３０の外周縁部１３２とキャビティー１３２の周縁部１３６との間の面）上に反射性粉末コーティング（ＰＴＷ）を堆積させることによって作製される。適切な粉末コーティングは、米国のミネソタ州ミネアポリス（Ｍｉｎｎｅａｐｏｌｉｓ）に本部があるＶａｌｓｐａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商標名ＰＴＷ９０１３５として入手可能である。説明されている実施形態では、粉末コーティングＰＴＷは、静電的に塗布され、その後、加熱下で（すなわち、オーブン又はオートクレーブにおいて）硬化される。さらに、粉末は、熱可塑性又は熱硬化性のポリマー材料であってもよい。コーティングは、ヒートシンク１３０の表面に直接的に付着又は融合するため、伝熱性に関係する「接触損失」はほとんどない。結果として、この構成は、熱の伝達及び放散のための非常に効率的な解決策を提供する。

光拡散レンズ１４０は、一般に、ポリカーボネート樹脂母材であって、その中に混合された反射性微粒子を有するポリカーボネート樹脂母材を含む。より具体的に言うと、光拡散レンズ１４０の樹脂母材には、約１０パーセント（１０％）以下の密度（すなわち、レンズの全質量のパーセントとしての微粒子材料の濃度）を有する微粒子が混合されている。さらに、混合される粒子の直径は、典型的には、約２０ミクロン以下のサイズである。

図４は、２つの異なる種類のリフレクタに関する光学効率及び配光の曲線又は輪郭線を描いているグラフである。曲線２０２、２０６は、Ｙ軸に沿った「円錐角」（すなわち、図３に見られるような角度θ）及びＸ軸に沿った、第１のリフレクタ部分１２２及び第２のリフレクタ部分１２４の全高（Ｈ_TOTAL）に対する第１のリフレクタ部分１２２の高さ（Ｈ_REF1）の比率（すなわち、「高さ比率」）に応じてプロットされている。高さの値は、各円錐台の基平面から同じ円錐台の上部断面平面まで測定されている。同じグラフ上にプロットされた場合、曲線２０２、２０６は、重複領域２１０を作り出す。重複領域２１０は、一般に、本開示の態様を組み込んだリフレクタ１２０の最適化された特性を明示している。この重複領域２１０では、透過光の少なくとも８０％が、πステラジアンの立体角としても記述され得るターゲット領域又は目的の領域内に入ることを確保しながらも、リフレクタ１２０の光学効率は、約８９％を上回る。

第１の曲線２０２は、約８９％超の光学効率を達成する円錐形状のリフレクタに関するものである。図４に示すように、第１の曲線２０２によって示されているリフレクタの光学効率は、高さ比率Ｈ_REF1／Ｈ_TOTALが低下するのに応じて増加する傾向にある。なお、第１の曲線２０２より上の任意の点は、光学効率が８９％を上回る設計空間を示す。例えば、２５度の円錐角を見た場合、この線に沿って右から左に移動する（すなわち、高さ比率を低下させる）につれて、８９％の輪郭線の下（すなわち、＜８９％の光学効率）から８９％の輪郭線の上（すなわち、＞８９％の光学効率）に移行することを理解することができる。

第２の曲線２０６は、透過光の約８０％にπステラジアンの立体角、すなわち、所望のターゲット領域を指向させるように構成された円錐形状のリフレクタに関するものである。第２の曲線２０６によって示されているリフレクタに関するターゲット領域内の光のパーセンテージは、円錐角に応じて、高さ比率Ｈ_REF1／Ｈ_TOTALが増加するにつれて増加するが、許容値には、Ｈ_REF1／Ｈ_TOTALの比率が約５０％に等しい場合に達する。したがって、曲線２０６の右にある点は、開示されている実施形態のリフレクタ１２０のための、円錐角及び高さ比率の最適化されたパラメータを示している。結果として、本開示の態様を組み込んだリフレクタ１２０のための最適な光学効率及び配光をもたらす、円錐角θ及び高さ比率Ｈ_REF1／Ｈ_TOTALの組合せを示す重複領域２１０が特定される。重複領域２１０は、約２８度（２８°）〜約３８度（３８°）の範囲内の円錐角θが、光学効率及び配光の要件を満たすことを明らかにしている。

要約すれば、本開示の態様は、幅が広くて柔らかい（すなわち、視覚的に心地よい）光エネルギーのビームを投射するか、又は発する指向性ライトアセンブリの形態の光学システムを提供する。これは、光拡散レンズ又はカバー１４０と組合せて、少なくとも２つのリフレクタセクション１２２、１２４を有するリフレクタ１２０（段階的リフレクタとも呼ばれる）を使用することによって達成される。本開示の光学システムは、光学システムの熱特性を改善するためにヒートシンクにリフレクタの第２の部分を一体化することによって熱放散のための効率的な経路を実現する。

以上のように、本発明の例示的な実施形態に適用されているような、本発明の基本的な新規の特徴について、図示し、説明し、及び指摘してきたが、例証されている装置及び方法の形態及び詳細並びにそれらの動作に関する様々な省略及び置換及び変更が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって行われてもよいことが理解される。さらに、同じ結果を達成するために実質的に同じ仕方で実質的に同じ機能を実行する、要素及び／又は方法ステップのあらゆる組合せが、本発明の範囲内にあることが明示的に意図されている。さらに、本発明の開示されている任意の形態又は実施形態に関連して図示及び／又は説明されている構造及び／又は要素及び／又は方法ステップが、設計上の選択肢の一般的な材料として任意の他の開示又は説明又は示唆されている形態又は実施形態に組み込まれてもよいことが認識されるべきである。したがって、本発明は、本明細書に添付されている特許請求の範囲によって示されているものとしてのみ限定されるべきである。

Claims (19)

1. 指向性ランプアセンブリであって、
   ＬＥＤのアレイを備える光源と、
   第１の部分及び第２の部分を有するリフレクタであって光源から放射された光をターゲット領域に向けるように動作するリフレクタと、
   リフレクタを取り囲むヒートシンクであって光源で発生した熱を放散するように動作するヒートシンクと、
   光源の上方に配置された光拡散レンズであってターゲット領域に向かう光を透過するように動作する光拡散レンズと
   を備えており、リフレクタの第２の部分が第１の部分の半径方向外側に配置されていて、ヒートシンクと共に一体に形成されており、
   リフレクタの第１の部分が、円錐角θをなす第１の円錐面を含み、
   リフレクタの第２の部分が、円錐角βをなす第２の円錐面を含み、
   円錐角βが、円錐角θよりも大きく、
   ヒートシンクが、光源を取り囲んでおり、光拡散レンズを取り付けるための第１の周縁部及びリフレクタの第１の部分を受け入れるための第２の周縁部を含む、指向性ランプアセンブリ。
2. リフレクタの第１の部分が反射性ポリカーボネート材料を含む、請求項１記載の指向性ランプアセンブリ。
3. リフレクタの第２の部分が、ヒートシンクの一部を覆うように配置された反射性粉末コーティングを含む、請求項１または２に記載の指向性ランプアセンブリ。
4. リフレクタの第１の部分が、熱放散のための第１の経路を形成するように光源の一部をヒートシンクに固定している、請求項１乃至３のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
5. リフレクタの第２の部分が、ヒートシンクと共に、熱放散のための第２の経路を形成している、請求項４記載の指向性ランプアセンブリ。
6. 光拡散レンズが、光源から生成された光と相互作用することにより、光の一部分が、ターゲット領域の第１の部分を照明するようにレンズを透過し、光の別の部分が、リフレクタの第２の部分から再指向されて、ターゲット領域の第２の部分を照明するようにレンズを透過する、請求項１乃至５のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
7. ターゲット領域の第２の部分の面積が、ターゲット領域の第１の部分の面積よりも大きい、請求項６記載の指向性ランプアセンブリ。
8. 光源に電力供給する制御電子装置と、
   制御電子装置を収容する下端キャップと
   を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
9. 第１の周縁部と第２の周縁部との間に配置された表面が、リフレクタの第２の部分を形成するために反射性粉末コーティングによって被覆されている、請求項１乃至８のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
10. リフレクタの第１の部分が、複数の軸方向支柱によりヒートシンクに固定される、請求項１乃至９のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
11. 円錐角βが、円錐角θの少なくとも２倍の大きさである、請求項１乃至１０のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
12. リフレクタの第１の部分が、円錐角θをなす第１の円錐面を含み、円錐角θが、約２８度（２８°）〜約３８度（３８°）の範囲内にある、請求項１乃至１０のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
13. リフレクタの第２の部分が、円錐角βをなす第２の円錐面を含み、円錐角βが、約８０度（８０°）〜約９０度（９０°）の範囲内にある、請求項１２記載の指向性ランプアセンブリ。
14. 光源を生じる光エンジンと、光源で発生した熱を放散するように動作するヒートシンクと、ターゲット領域に向けて光を透過するように動作するカバーレンズとリフレクタとを有する指向性ランプアセンブリであって、
    光エンジンを受け入れるためのアパーチャを有する第１のリフレクタ部分であって、円錐角θをなす第１の円錐面を有する第１のリフレクタ部分と、
    第１のリフレクタ部分の半径方向外側に第１のリフレクタ部分と組合せて配置された第２のリフレクタ部分であって、ヒートシンクと共に一体に形成されている、円錐角θよりも大きい円錐角βをなす第２の円錐面を有する第２のリフレクタ部分と
    を備え、
    ヒートシンクが、光源を取り囲んでおり、光拡散レンズを取り付けるための第１の周縁部及びリフレクタの第１の部分を受け入れるための第２の周縁部を含む、指向性ランプアセンブリ。
15. 光源を生じる光エンジンと、光源で発生した熱を放散するように動作するヒートシンクと、ターゲット領域に向けて光を透過するように動作するカバーレンズとリフレクタとを有する指向性ランプアセンブリであって、
    光エンジンを受け入れるためのアパーチャを有する第１のリフレクタ部分であって、約２８°〜約３８°の範囲内にある円錐角θをなす第１の円錐面を有する第１のリフレクタ部分と、
    第１のリフレクタ部分の半径方向外側に第１のリフレクタ部分と組合せて配置された第２のリフレクタ部分であって、ヒートシンクと共に一体に形成されている、円錐角βをなす第２の円錐面を有する第２のリフレクタ部分であって、リフレクタの第２の部分が、そこを覆うように配置された反射性粉末コーティングを含む、リフレクタの第２の部分と
    を備え、
    円錐角βが、円錐角θよりも大きく、
    ヒートシンクが、光源を取り囲んでおり、光拡散レンズを取り付けるための第１の周縁部及びリフレクタの第１の部分を受け入れるための第２の周縁部を含む、指向性ランプアセンブリ。
16. 光源が、発光ダイオードである、請求項１４または１５に記載の指向性ランプアセンブリ。
17. 円錐角βが円錐角θの少なくとも２倍の大きさである、請求項１５または１６に記載の指向性ランプアセンブリ。
18. 第１のリフレクタ部分が、反射性ポリカーボネート材料からなる、請求項１５乃至１７のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。
19. 円錐角βが、円錐角θよりも大きい、請求項１５乃至１８のいずれかに記載の指向性ランプアセンブリ。