KR20190049457A - Led램프 및 이를 구비하는 조명 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 할로겐 램프에서 사용하고 있던 광학계를 변경하지 않고 상기 할로겐 램프의 대체로서 LED 램프를 사용할 수 있는, 무대 조명 등의 용도에 사용되는 LED 램프를 제공하는 것으로,
LED 램프(50)를, 복수의 LED(52), 및 다각형의 단면 형상으로 규정되고 LED(52)가 배치되는 측면을 갖는 지주(54)로 구성하며, LED 램프(50)로부터의 광을 반사시키는 반사면(20)을 내측에 갖고 있고, 반사면(20)에서 반사된 광을 방사하는 개구(22)를 갖는 주발 형상의 리플렉터(12)에서의 개구(22)의 반경에 대한, 지주(54)의 중심점(C)에서 측면까지의 거리인 지주 반경(S)의 치수 비율인 지주 직경 비율(D)을 3.73 % 이상 18.25 % 이하로 한다.

Description

LED램프 및 이를 구비하는 조명 장치{AN LED LAMP AND A LIGHTING DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 무대 조명 등과 같이 조사면의 밝기, 및 조사면에서의 휘도의 균일성이 요구되는 용도에 적합한 LED 램프 및 이를 구비하는 조명 장치에 관한 것이다.

할로겐 램프로 대표되는 종래의 백열 전구에 비하여 소비 전력이 낮고 또한 장수명이라는 장점을 갖는 발광 다이오드(이하 「LED」라고 함)는 수요자의 에콜로지 의식의 고양과 함께, 에너지 절감 대책의 하나로서 그 사용 범위가 급속히 확대되고 있다. 이에 따라, 백열 전구의 대체로서 LED를 사용하고 싶다는 요구가 급속히 높아지고 있다.

예를 들어, 무대 조명에 사용되는 조명 장치도 종전부터 할로겐 램프가 사용되어 왔다(예를 들면, 특허 문헌 1). 할로겐 램프가 사용된 무대 조명은 일례로서, 할로겐 램프와, 상기 할로겐 램프의 발광부가 위치 결정되는 초점을 갖는 리플렉터, 상기 리플렉터의 전방에 배치된 「조리개」, 및 상기 조리개의 전방에 배치된 렌즈로 구성되어 있다.

일본 공표특허 평6-510881호 공보

그러나, 할로겐 램프를 단순히 LED 램프로 교체하는 것만으로는, 조사면의 밝기나 조사면에서의 휘도의 균일성이라는, 무대 조명용의 조명 장치에 요구되는 성능을 충족시킬 수 없는 점에서, 상술한 리플렉터, 조리개 및 렌즈라는 광학계를 상기 LED 램프에 맞춘 것으로 변경해야 했다. 즉, LED 램프로 대신하고자 하면, 조명 장치의 전부를 교환하지 않으면 안되어, 비용 등의 측면에서 LED 램프로의 대체가 진전되지 않는다는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 할로겐 램프에서 사용하고 있던 광학계를 변경하지 않고, 상기 할로겐 램프의 대체로서 LED 램프를 사용할 수 있는, 무대 조명 등의 용도에 사용되는 LED 램프 및 이를 구비하는 조명 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 한 국면에 따르면,

복수의 LED, 및 다각형의 단면 형상으로 규정되고 상기 LED가 배치되는 측면을 갖는 지주를 구비하는 LED 램프로서,

상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터에서의 상기 개구의 반경에 대한, 상기 지주의 중심점에서 상기 측면까지의 거리인 지주 반경의 치수 비율인 지주 직경 비율이, 3.73 % 이상 18.25 % 이하인 것을 특징으로 하는 LED 램프가 제공된다.

바람직하게는 상기 리플렉터에서의 상기 개구의 반경에 대한, 상기 지주의 중심점에서 상기 측면까지의 거리인 지주 반경의 치수 비율인 지주 직경 비율이 4.19 % 이상 18.25 % 이하이다.

바람직하게는 상기 LED의 수는 3개 이상이다.

이하의 식을 충족하는 것이 바람직하다.

D: 지주 직경 비율 (%)

x: 상기 리플렉터로부터의 광을 조사면을 향하여 굴절시키는 렌즈의 지향각(°)

이하의 식을 충족하는 것이 바람직하다.

D: 지주 직경 비율 (%)

A: 전 LED의 합계 정격 전력 (W)

B: 치환되기 전의 할로겐 램프의 정격 전력 (W)

본 발명의 다른 국면에 따르면,

상기 LED 램프, 및

상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터를 구비하는 조명 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 국면에 따르면,

상기 LED 램프,

상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터, 및

상기 리플렉터로부터의 광을 조사면을 향하여 굴절시키는 렌즈를 구비하는 조명 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 할로겐 램프에서 사용되고 있던 광학계를 변경하지 않고,상기 할로겐 램프의 대체로서 사용할 수 있는, 무대 조명 등의 용도에 사용되는 조명 장치에 적합한 LED 램프 및 이를 구비하는 조명 장치를 제공할 수 있었다.

도 1은 본 발명이 적용된 조명 장치(10)의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명이 적용된 LED 램프(50)의 일례를 도시한 사시도이다.
도 3은 LED(52)의 일례를 도시한 사시도이다.
도 4는 LED(52)의 일례를 도시한(도 3의 A-A 화살표) 단면도이다.
도 5는 지주 반경(S)을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 지주 직경 비율(D)과 조사면에서의 휘도 불균일의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 렌즈(16)의 지향각(θ2)과 조사면에서의 휘도 불균일의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 지주 직경 비율(D)과 조사면에서의 밝기의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 LED(52)의 수와 조사면에서의 휘도 불균일의 관계를 도시한 그래프이다.

(조명 장치(10)의 구성)

도 1은 본 발명이 적용된 실시예에 관한 조명 장치(10)를 도시한다. 조명 장치(10)는 대략 LED 램프(50), 리플렉터(12), 조리개(14) 및 렌즈(16)로 구성되어 있다.

LED 램프(50)는 조명 장치(10)의 용도에 적합한 파장을 포함하는 광을 방사한다. LED 램프(50)의 상세한 내용에 대해서는 조명 장치(10)의 구성을 설명한 후에 설명한다.

리플렉터(12)는 주발 형상의 반사면(20)을 그 내측 표면에 갖고 있다. 이 반사면(20)은 리플렉터(12)의 내측에 배치된 LED 램프(50)로부터의 광을 반사시킨다. 본 실시예에서는 이 반사면(20)은 회전 타원면으로 규정되어 있다. 또한, LED 램프(50)에서의 지주(54)의 중심점(C)(후술)이 상기 회전 타원면의 초점(제1 초점) (F1)에 일치하도록, LED 램프(50)가 리플렉터(12)의 내측에 배치되어 있다. 이에 의해, LED 램프(50)를 구성하는 복수의 LED(52)로부터 방사되어, 반사면(20)에서 반사된 후, 리플렉터(12)의 개구(22)로부터 나온 광은, 대략 리플렉터(12)의 개구(22)로부터 소정의 거리만큼 이격된 제2 초점(F2)에 모이는 집광이 된다. 물론, 반사면(20)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니고, 회전 포물면이나 그 밖의 회전면, 또는 회전면 이외의 형상이어도 좋다.

조리개(14)는 리플렉터(12)의 개구(22)와, 상기 리플렉터(12)의 반사면(20)의 형상을 규정하는 회전 타원면의 제2 초점(F2) 사이에 배치된, 광 통과 구멍 (26)을 갖는 판 형상 부재이다. 상술한 바와 같이, 리플렉터(12)의 개구(22)로부터 나온 광은, 상기 광 통과 구멍(26)을 통과하여 제2 초점(F2)을 향하도록 이루어져 있다. 광 통과 구멍(26)의 직경은 조명 장치(10)로부터 방사되는 광량에 따라서 확축된다. 광 통과 구멍(26)의 직경이 비교적 작은 경우, 상기 광 통과 구멍(26)을 통과하는 광량이 적어지고, 개구(22)로부터 나온 광의 많은 부분이 이 조리개(14)에서 차단된다. 그 결과, 조명 장치(10)로부터 방사되는 광량은 적어진다. 반대로 광 통과 구멍(26)의 직경이 비교적 큰 경우, 상기 광 통과 구멍(26)을 통과하는 광량이 많아진다. 그 결과, 조명 장치(10)로부터 방사되는 광량은 많아진다.

렌즈(16)는 조리개(14)의 광 통과 구멍(26)을 통과하고, 반사면(20)을 규정하는 회전 타원면의 제2 초점(F2)을 통과한 후의 광을 굴절시켜, 광축(CL)에 거의 평행한 평행광으로 하기 위한 부재이다. 본 명세서에서는 렌즈(16)에서 굴절된 후의 광의 확산각(θ1)의 반치각(θ1/2)을 「렌즈(16)의 지향각(θ2 (°))」이라고 한다.

LED 램프(50)는 도 2에 도시한 바와 같이 대략 복수의 LED(52), 지주(54), 및 축(56)을 구비하고 있다.

LED(52)는 도시하지 않은 전원으로부터의 전력을 받음으로써 소정의 파장의 광을 방사하는 부재이고, 본 실시예에서는 8 개의 LED(52)가 사용되고 있다. 각 LED(52)는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 각각 단책판 형상의 베이스(58), 베이스(58)의 표면에서의 폭 방향의 대략 중앙부에서 가로세로로 복수 나열되어 실장된 LED칩(60), LED칩(60)을 덮도록 배치된 직사각형 형상의 형광체(61), 및 동일하게 베이스(58)의 표면에서의 한쪽 단부에 설치된 한쌍의 급전 단자(62)를 구비하고 있다. 또한, LED칩(60)과 한쌍의 급전 단자(62) 사이는 도시하지 않은 급전 회로에 의해 전기적으로 접속되어 있다.

도 2로 돌아가 지주(54)는 구리 등의 열전도율이 높은 재료로 형성된 부재이며, 본 실시예의 경우, 정팔각 기둥 형상으로 형성되어 있다. 또한, 축(56)도 지주(54)와 동일하게, 열전도율이 높은 재료로 형성된 봉 형상의 부재이며, 그 일단이 지주(54)의 저면 중앙부에 접속되어 있다.

또한, 지주(54)에서의 8 개의 측면에는 각각 LED(52)가 배치되어 있다. 즉, 각 LED(52)는 지주(54)의 중심축(L)을 중심으로 하여, 방사상 또한 바깥 방향으로 배치되어 있다. 이에 의해, 각 LED(52)의 LED칩(60)으로부터의 광도, 지주(54)의 중심축(L)을 중심으로 하여 방사상 또한 바깥 방향으로 방사된다.

본 실시예의 경우, 지주(54)에 설치되는 측면의 수는 LED 램프(50)에 설치되는 LED(52)의 수와 일치한다. LED 램프(50)에 설치되는 LED(52)의 수는 3 개 이상이면 특별히 한정되지 않고, LED(52)의 수가 3 개이면 지주(54)의 형상은 정삼각 기둥이 되고, LED(52)의 수가 5 개이면 지주(54)의 형상은 정오각 기둥이 되며, LED(52)의 수가 6 개이면 지주(54)의 형상은 정육각 기둥이 된다. 즉, 지주(54)는 정다각형의 단면 형상으로 규정되어 있다.

물론, LED(52)의 수와 지주(54)의 단면 형상을 규정하는 정다각형의 변의 수를 맞추는 것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들면, 정팔각형의 단면 형상을 갖는 지주(54)를 이용하여, 어느 하나의 측면에 4 개의 LED(52)를 배치해도 좋다. 또한, 지주(54)의 단면 형상은 정다각형이 아니라, 단순한 다각형이어도 좋다. 여기에서 말하는 「다각형」이라는 것은 각 측면끼리의 경계가 명확한 능선을 구성하고 있는 경우에 한정되지 않고, 「다각형」의 각(角) 부분이 둥그스름함을 띠고 있어 각 측면끼리의 경계가 명확하지 않은 경우에도 복수의 「측면」이 형성되어 있으면 「다각형」에 포함된다.

또한, 각 LED(52)는 LED 칩(60)의 중심 위치가 지주(54)의 중심축(L)에 직교하는 가상 평면상에 있도록 배치되어 있다. 이하, 지주(54)의 중심축(L)과 상기 가상 평면의 교점을 LED 램프(50) (및 지주(54))의 중심점(C)이라고 한다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 지주(54)에서의 중심점(C)으로부터 각 측면까지의 거리를 「지주 반경(S)」이라고 한다.

(무대 조명 등의 용도에 적합한 LED 램프(50)의 검토)

무대 조명 등에 사용되는 램프에는 피조사물을 충분한 밝기로, 또한 휘도의 불균일이 없도록 비추는 것이 요구된다. 즉, 그와 같은 램프에는 「조사면의 밝기」 및 「조사면 휘도의 균일성」, 즉 「조사면에서의 휘도 불균일이 작은 것」이 요구된다. 그래서, 무대 조명 등의 용도에 적합한 LED 램프(50)를 구성하기 위해, 이하의 검토를 실시했다.

(휘도 불균일에 대한 검토)

검토의 전제가 되는 조건은 이하와 같다.

(1) 리플렉터(12)에서의 개구(22)의 직경(리플렉터(12)의 유효 직경)은 140 ㎜로 했다. 즉, 리플렉터(12)의 유효 반경은 70 ㎜이다.

(2) 지주 반경(S)은 2.5 ㎜에서 12.5 ㎜까지를 검토했다. 또한, 이 지주 반경(S)의 범위는 리플렉터(12)의 유효 반경(본 실시예에서는 70 ㎜)의 3.6 %에서 17.9 %에 상당한다.

(3) 렌즈(16)의 개방각(θ1)은 26 °로 했다.

(4) LED 칩(60)의 발광면, 즉 형광체(61)의 치수는 6 ㎜ × 17 ㎜로 했다.

(5) LED 램프(50)의 정격 전력(각 LED(52)의 정격 전력의 합계)는 200 W로 했다.

(지주 반경(S)과 휘도 불균일의 관계에 대해서)

일반적으로 지주 반경(S)이 작아지면 각 LED(52)의 발광면은 지주(54)의 중심점(C)(리플렉터(12)의 제1 초점(F1))에 접근해 간다. 발광면이 리플렉터(12)의 제1 초점(F1)에 접근하면 조사면에서의 발광면의 윤곽 형상이 명료해져 가는 점에서, 상기 조사면에서의 휘도 불균일이 커지는 경향이 있다. 반대로, 지주 반경(S)이 커지면 각 LED(52)의 발광면은 리플렉터(12)의 제1 초점(F1)으로부터 멀어진다. 그러면, 조사면에서의 발광면의 윤곽 형상이 흐려져 불명료해져 가고, 상기 조사면에서의 휘도 불균일은 작아지는 경향이 있다.

그래서, 지주 반경(S)과 조사면에서의 휘도 불균일의 관계에 대해서 실험을 시도한 결과, 도 6에 도시한 그래프와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 동그래프에서의 「지주 직경 비율(D)(%)」은 리플렉터(12)의 유효 직경 치수의 반(즉, 리플렉터(12)의 유효 반경 치수)에 대한 지주 반경(S)의 치수의 비율(%)을 말하고, 「휘도 불균일(%)」은 조사면에서의 휘도의 최대값에 대한, 상기 최대값과 최소값의 차의 비율(%)을 말한다.

할로겐 램프를 사용한 종래 조명 장치에서의 「휘도 불균일(%)」은 약 34 %이다. 따라서, 본 실시예에 관한 LED 램프(50)에서 종래의 조명 장치와 동등 이하의 「휘도 불균일(%)」로 하고자 하면, 「지주 직경 비율(D)(%)」은 3.73 % 이상인 것이 요구된다.

(렌즈(16)의 지향각(θ2)과 휘도 불균일의 크기의 관계에 대해서)

렌즈(16)의 지향각(θ2)에 따라 상술한 휘도 불균일의 크기는 변화된다. 그래서, 렌즈(16)의 지향각(θ2)과 휘도 불균일의 크기의 관계에 대하여 실험을 시도한 결과, 도 7에 도시한 그래프와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 동그래프에서의 「렌즈(16)의 지향각(θ2)」은 상술한 바와 같이, 렌즈(16)에서 굴절된 후의 광의 확산각(θ1)의 반치각(θ1/2)을 말한다. 즉, 본 실시예의 경우, 「렌즈(16)의 지향각(θ2) 」은 13 °(= 26 °/2)이다.

도 7에 도시한 그래프에 의한 근사식을 고려하면 휘도 불균일(%)은 이하의 식으로 산출할 수 있다.

D: 지주 직경 비율(%)

x: 상기 리플렉터로부터의 광을 조사면을 향하여 굴절시키는 렌즈의 지향각(°)

상기 근사식 (1)에 기초하여, 본 실시예에 관한 LED 램프(50)에서 종래의 조명 장치와 동등 이하의 「휘도 불균일(%)」로 하고자 하면, 「지주 직경 비율(D) (%)」은 4.19 % 이상인 것이 요구된다.

(조사면의 밝기와 휘도 불균일의 관계에 대한 검토)

다음에, 조사면에서의 밝기와 휘도 불균일의 관계에 대하여 검토했다.

검토의 전제가 되는 조건은 이하와 같다.

(1) 기준으로 하는 할로겐 램프는 정격 전력이 750 W, 상관 색온도가 3000 K, 연색성(演色性)은 Ra90으로 한다.

(2) LED 램프(50)의 정격 전력(각 LED(52)의 정격 전력의 합계)를 200 W로 하고, 각 LED(52)로부터의 광의 상대 색온도는 상기 할로겐 램프와 동등한 3000 K, 연색성도 동등한 Ra90으로 했다.

(지주 반경(S)와 밝기의 관계에 대해서)

상술한 바와 같이, 지주 반경(S)이 작아지면 일반적으로 휘도가 커지는 경향이 있지만, 각 LED(52)의 발광면(= 형광체(61))이 리플렉터(12)의 제1 초점(F1)에 접근하는 것으로부터 미광(迷光, stray light)이 적어져, 조사면에서의 밝기는 밝아진다. 그래서, 지주 반경(S)과 조사면에서의 밝기의 관계에 대해 실험을 시도한 결과, 도 8에 도시한 그래프와 같은 결과가 얻어졌다. 또한, 「조사면의 밝기(%)」는 할로겐 램프를 사용한 경우에서의 밝기에 대한, LED(52)를 이용한 LED 램프(50)를 사용한 경우의 밝기의 비율(%)을 말한다.

도 8에 도시한 그래프에 따르면, 할로겐 램프를 이용한 종래의 조명 장치와 동등한 밝기(즉, 「조사면의 밝기(%)」= 100)로 하고자 하면, 「지주 직경 비율(D)(%)」은 18.25 % 이하인 것이 요구된다.

또한, 일반적으로 LED의 밝기는 정격 전력에 비례하므로, LED(52)의 정격 전력을 A[W], 할로겐 램프의 정격 전력을 B[W]로 하면, 지주 직경 비율(D)(%)은 이하의 식으로 나타낼 수 있다.

(LED(52)의 수와 휘도 불균일의 관계에 대한 검토)

다음에, LED(52)의 수(지주(54)에서의 측면의 수)와 휘도 불균일의 관계에 대하여 검토했다.

검토의 전제가 되는 조건은 이하와 같다.

(1) 리플렉터(12)에서의 개구(22)의 직경(리플렉터(12)의 유효 직경)은 140 ㎜로 했다. 따라서, 리플렉터(12)의 유효 반경은 70 ㎜이다.

(2) 지주 반경(S)은 10 ㎜로 했다.

(3) 렌즈(16)의 개방각(θ1)은 26 °로 했다.

LED(52)의 수(지주(54)에서의 측면의 수)와 휘도 불균일의 관계에 대해 실험을 시도한 결과, 도 9에 도시한 그래프와 같은 결과가 얻어졌다. 이 결과에 따르면, LED(52)의 수를 3 개 이상으로 하면 「휘도 불균일(%)」이 할로겐 램프를 이용한 종래의 조명 장치에서의 약 34 %를 하회하는 것을 알 수 있다.

이번에 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구범위에 의해 나타내어지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10: 조명 장치 12: 리플렉터
14: 조리개 16: 렌즈
20: 반사면 22: 개구
26: 광 통과 구멍 50: LED 램프
52: LED 54: 지주
56: 축 58: 베이스
60: LED 칩 61: 형광체
62: 급전 단자 F1: (반사면(20)의) 제1 초점
F2: (반사면(20)의) 제2 초점 L: 중심축
CL: 광축 C: 중심점
S: 지주 반경 θ1: (렌즈(16)의) 개방각
θ2: (렌즈(16)의) 지향각

Claims (7)

1. 복수의 LED, 및 다각형의 단면 형상으로 규정되고, 상기 LED가 배치되는 측면을 갖는 지주를 구비하는 LED 램프로서,
   상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터에서의 상기 개구의 반경에 대한, 상기 지주의 중심점에서 상기 측면까지의 거리인 지주 반경의 치수 비율인 지주 직경 비율이 3.73 % 이상 18.25 % 이하인, LED 램프.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 리플렉터에서의 상기 개구의 반경에 대한, 상기 지주의 중심점에서 상기 측면까지의 거리인 지주 반경의 치수 비율인 지주 직경 비율이 4.19 % 이상 18.25 % 이하인, LED 램프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 LED의 수는 3 개 이상인, LED 램프.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   이하의 식을 충족하는, LED 램프.
   

   

   
   D: 지주 직경 비율(%)
   x: 상기 리플렉터로부터의 광을 조사면을 향하여 굴절시키는 렌즈의 지향각 (°)
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   이하의 식을 충족하는, LED 램프.
   

   

   
   D: 지주 직경 비율(%)
   A: 전 LED의 합계 정격 전력(W)
   B: 치환되기 전의 할로겐 램프의 정격 전력(W)
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 LED 램프, 및
   상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터를 구비하는, 조명 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 LED 램프,
   상기 LED 램프로부터의 광을 반사시키는 반사면을 내측에 갖고 있고, 상기 반사면에서 반사된 광을 방사하는 개구를 갖는 주발 형상의 리플렉터, 및
   상기 리플렉터로부터의 광을 조사면을 향하여 굴절시키는 렌즈를 구비하는, 조명 장치.

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