WO2016059687A1

WO2016059687A1 - 照明装置

Info

Publication number: WO2016059687A1
Application number: PCT/JP2014/077456
Authority: WO
Inventors: 大野　博司; 光章加藤; 弘道林原; 弘康近藤; 亮二津田; 恭正大屋
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝マテリアル株式会社
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-04-21
Also published as: EP3208518A4; JPWO2016059687A1; CN106662299A; US20170211749A1; EP3208518A1; US10107457B2

Abstract

　実施形態に係る照明装置は、グローブと、内部に散乱部を備えた可視光に対して透明な光学素子と、この光学素子の光入射面に対向して配置された光源と、を備えている。そして、散乱部がグローブ内に配置されている。

Description

照明装置

　本発明の実施形態は、一般家庭、店舗、オフィスなどで使用する照明装置に関する。

　一般照明用のＬＥＤ照明装置には、白熱電球のような形状および光り方に近づけること（レトロフィット）が望まれる場合がある。特に、クリア型白熱電球（クリアガラスのグローブを用いた白熱電球）のように、グローブ内部の点光源から広配光（１／２配光角が約２７０°）に光ることへの要望は多い。

米国特許出願公開第２０１０／０３０８３５４号明細書

　しかし、ＬＥＤをそのまま光源として用いると、配光角は狭くなり、１／２配光角は１２０°程度となる。

　よって、レトロフィット感のある広配光な光を射出できる照明装置の開発が望まれている。

図１は、第１の実施形態に係る照明装置を示す概略図である。図２は、図１の照明装置の最良の実施形態を示す概略図である。図３は、第２の実施形態に係る照明装置を示す概略図である。図４は、第３の実施形態に係る照明装置を示す概略図である。図５は、第４の実施形態に係る照明装置を示す概略図である。図６は、第５の実施形態に係る照明装置を示す概略図である。図７は、第１乃至第５の実施形態の照明装置に組み込まれる光学素子の変形例を示す概略図である。

　以下、図面を参照して実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係る照明装置１０を示す概略図である。　
　照明装置１０は、中心軸Ｃに対して回転対称形である。照明装置１０は、透明な一般電球型のグローブ２と、可視光に対して透明な材料（本実施形態ではアクリル）により形成された光学素子４と、この光学素子４の後述する光入射面４ａに対向して配置された光源６と、を有する。また、照明装置１０は、光源６を備えた基板１１を支持した拡散部３と、グローブ２の開口端に接続した口金５と、を有する。光学素子４、光源６、基板１１、および拡散部３は、グローブ２内に配置される。

　グローブ２は、Ｒ曲面を含む表面を有する。Ｒ曲面とは、その曲面上の連続する各点からの距離が一定となる固定点を取ることができる曲面を意味する。ここでは、この固定点をグローブ２の中心とする。Ｒ曲面には球面が含まれても良いが、グローブ２の表面形状は球面のみに限らない。

　いずれにしても、グローブ２は、その中心軸に対して回転対称形である。回転対称形とは、中心軸Ｃに対して対象物を回転させたとき、対象物がもとの形状に一致し、かつ中心軸Ｃ周りの回転角が３６０°未満となる形状を意味する。例えば、回転対称形の物体として、円柱、円錐、多角柱、多角錐などがある。

　光学素子４は、中心軸Ｃに対して回転対称形であり、本実施形態では略円柱形である。光学素子４の材料は、可視光に対して透明な材料であれば何でもよい。光学素子４は、アクリルの他に、例えば、ポリカーボネートやガラスなどによって形成することができる。光学素子４は、グローブ２と同軸に配置される。つまり、光学素子４の中心軸（第１の回転対称軸）とグローブ２の中心軸（第２の回転対称軸）は一致する。

　光学素子４は、その内部に、上記透明な材料が存在しない空洞である散乱部８を備えている。この散乱部８も、中心軸Ｃに対して回転対称となる形状を有する。散乱部８は、光源６から離間した光学素子４の先端（図示上端）に開口部８ａを有する凹部である。散乱部８は、光学素子４の長手方向の全長の約半分ほどの長さを有する。散乱部８の光源６側（図示下端側）の底部は、中心軸Ｃに向けて徐々に収束して閉じている。散乱部８は、グローブ２内に配置される。

　散乱部８の内面は、光を拡散させる拡散面８ｂとなっている。拡散面８ｂは、散乱部８の内面に白色塗装したものであってもよい。或いは、拡散面８ｂは、散乱部８の内面を部分的にサンドブラスト処理した粗面であってもよい。また、拡散面８ｂを設ける代わりに、散乱部８内に、光を散乱させる散乱部材（図示せず）を充填してもよい。

　光学素子４は、散乱部８の開口部８ａから離れた基端部に、光入射面４ａを有する。本実施形態では、光入射面４ａは、光学素子４の基端部から球面状に凹んだ凹部である。そして、この凹部４ａに光源６の発光面６ａが対向する。また、光学素子４は、先端に向けて徐々に縮径する外周面４ｂを有する。縮径した外周面４ｂは、光学素子４の先端で散乱部８の開口部８ａにつながっている。外周面４ｂは、鏡面である。

　光源６は、基板１１の表面１１ａに実装した図示しないＬＥＤ素子と、ＬＥＤ素子を基板１１の表面１１ａに封止した封止樹脂１２と、を有する。基板１１の表面１１ａには、光を拡散反射させるため、白色塗装が施されている。封止樹脂１２は、略半球状であり、その表面が発光面６ａとして機能する。光源６は、基板１１の裏面１１ｂを拡散部３で支持せしめることで、拡散部３に取り付けられる。この状態で、発光面６ａは、光学素子４の光入射面４ａに対向する。

　拡散部３は、金属材料により形成されており、基板１１の裏面１１ｂに熱的に接触する。つまり、拡散部３は、基板１１を介して光源６と熱的に接触し、光源６の熱を拡散させて放熱する。また、拡散部３は、光を拡散反射させるように表面処理された表面３ａを有する。例えば、拡散部３の表面３ａには白色塗装が施されている。

　本実施形態では、散乱部８は、グローブ２の中心Ｒに対して、光源６と反対側にレイアウトされている。好ましくは、散乱部８は、図２に示すように、その光源６側の端部がグローブ２の中心Ｒに位置するようにレイアウトされている。散乱部８の中心軸Ｃに沿った位置は、例えば、拡散部３の軸方向の長さを調節することで変更できる。

　以下、上述した照明装置１０を点灯させた場合における光の拡がり方について説明する。　
　発光面６ａを介して光源６から発光された光線群は、光学素子４の光入射面４ａに入射する。光入射面４ａを介して光学素子４へ入射された光は、光学素子４を介して導光され、散乱部８で拡散反射される。散乱部８で拡散反射された光は、略全方向に拡がり、屈折透過によって光学素子４の外部へと射出される。このように、光学素子４から射出された光の多くは、グローブ２を透過して照明光として利用される。

　一方、光学素子４から射出された光の一部は、グローブ２の内面で反射される。このとき、光の反射はフレネル反射であり、グローブ２の内面に対する光の入射角が大きいほど反射される光が多くなる。ここで言う光の入射角とは、グローブ２の内面に光が入射する点を通る法線Ｈと、その点に入射する光線と、の間の角度である。

　例えば、図１において破線矢印で示す光線Ｌ１は、散乱部８のうち光源６から遠い端部によって散乱された光線を示し、グローブ２の内面で反射されて基板１１や拡散部３に向かう。つまり、この場合、光線Ｌ１が反射される方向は、グローブ２の中心Ｒより口金５に近い方向である。言い換えると、この場合、光線Ｌ１が反射される方向は、グローブ２の口金５から最も遠い頂部に向かう方向とは逆方向となる。この方向に反射された光線Ｌ１は、基板１１や拡散部３の表面でさらに反射され、照明光を広配光にする光成分となる。

　また、例えば、図１において実線矢印で示す光線Ｌ２は、散乱部８うち光源６に近い端部によって散乱された光線を示し、グローブ２の内面で反射されて光学素子４に向かう。この場合においても、光線Ｌ２が反射される方向は、グローブ２の中心Ｒより口金５に近い方向となる。この方向に反射された光線Ｌ２は、光学素子４の表面で反射され、あるいは光学素子４を透過される。

　すなわち、本実施形態のように、散乱部８をグローブ２の中心Ｒに対して光源６と反対側に配置すると、光線Ｌ１や光線Ｌ２は、グローブ２の中心Ｒより口金５に近い方向に反射され、光学素子４、基板１１、拡散部３のうちのいずれかに当たる。そして、基板１１や拡散部３に到達した光線は、口金５に向かう方向に拡散反射される。

　これに対し、仮に、光学素子４を設けない場合、光源６から射出された光線群は、グローブ２の頂部へと向かう。つまり、光源６のＬＥＤ素子が指向性の強い光を射出するため、光学素子４が無い場合、光源６からの光は、グローブ２の頂部に向かう。このため、光学素子４が無いと、グローブ２からは狭配光成分が多く射出されることになる。

　すなわち、本実施形態のように、光学素子４を備えることで、光源６から射出された光線群を散乱部８によって散乱させることができ、広配光成分を生成でき、グローブ２から射出される照明光を広配光にできる。このように広配光な照明光を射出するための条件は、グローブ２内に散乱部８を設けることである。

　さらに、本実施形態では、グローブ２の中心Ｒに対して光源６と反対側に散乱部８をレイアウトしたため、グローブ２を透過されずにグローブ２の内面でフレネル反射された光成分は、口金５の方向に向かうことになる。また、グローブ２の内面で反射された光の一部は、基板１１や拡散部３の表面でさらに反射されて、最終的に広配光成分となって、グローブ２より射出される。このため、これらの光成分は照明光を広配光にする光成分となる。

　以上のように、本実施形態によると、グローブ内面におけるフレネル反射成分を広配光成分に変換できるため、より広配光のＬＥＤ電球を実現でき、レトロフィット感のある広配光な光を射出できる。なお、全てのフレネル反射成分を広配光成分に変換するためには、グローブ２の中心Ｒが、光学素子４の散乱部８の外部あるいは光源６に近い側の端部で、光学素子４の散乱部８と光源６を結ぶ線分内に位置する必要がある。

　一方、基板１１や拡散部３による拡散反射の際、数％程度の吸収ロスが起こる。そこで、器具効率を考えると、フレネル反射はなるべく抑えたほうがよい。フレネル反射成分は、グローブ２の内面に対する入射角度が大きいほど増加する。そこで、入射角度をなるべく小さくするほうがよい。散乱部８で散乱される光線群のうち入射角度が最大となるのは、光線Ｌ１である。光線Ｌ１の入射角度が最小となるのは、グローブ２の中心Ｒが散乱部８の光源６に近い側の端部に位置するときである。つまり、このとき、器具効率が最大となる。

　また、本実施形態のように、グローブ２の回転対称軸と光学素子４の回転対称軸が一致するとき、グローブ２によって透過・反射される光成分は回転対称軸の方位方向に対して均一となる。そのため、均一な照明を演出できる。一方、両者の回転対称軸がずれていると、方位方向に対してムラが生じ、不均一な照明となる。

（第２の実施形態）
　以下、図３を参照して第２の実施形態に係る照明装置２０について説明する。　
　本実施形態の照明装置２０は、中心軸Ｃに沿った散乱部８の位置を変更した以外、上述した第１の実施形態の照明装置１０と同様の構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

　本実施形態の照明装置２０の散乱部８は、グローブ２の中心Ｒを含む位置にレイアウトされている。より好ましくは、散乱部８の中心がグローブ２の中心Ｒと重なるようにレイアウトされる。

　この照明装置２０を点灯させた場合、グローブ２の内面におけるフレネル反射成分は、光学素子４、基板１１、あるいは拡散部３によって数％程度吸収される。そこで、器具効率を考えると、フレネル反射はなるべく抑えたほうがよい。フレネル反射成分は、グローブ２の内面に対する光の入射角度が大きいほど増加する。そこで、入射角度をなるべく小さくするほうがよい。

　散乱部８で散乱された光線群のうち、グローブ２の内面に対する入射角が最大となるのは、散乱部８の光源６から離間した端部で散乱された光線Ｌ１、あるいは散乱部８の光源６に近い端部で散乱された光線Ｌ２である。これらの光線Ｌ１、Ｌ２の入射角度の最大値が最も小さくなるのは、散乱部８の中心軸Ｃ方向に沿った長さを２等分した位置にグローブ２の中心Ｒが位置するときである。これにより、フレネル反射成分が最小になり、反射ロスを低減できる。

　以上のように、本実施形態によると、グローブ２の内面における反射ロスをできるだけ抑えた上で、口金５に向かう方向の光の成分を多くでき、レトロフィット感のある広配光な光を射出できる。

（第３の実施形態）
　以下、図４を参照して第３の実施形態に係る照明装置３０について説明する。　
　本実施形態の照明装置３０は、中心軸Ｃに沿った散乱部８の位置を変更した以外、上述した第１の実施形態の照明装置１０と同様の構造を有する。よって、ここでは、第１の実施形態と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

　本実施形態の照明装置３０の散乱部８は、グローブ２の中心Ｒより光源６側にレイアウトされている。より好ましくは、散乱部８の光源６と反対側の端部がグローブ２の中心Ｒに位置するようにレイアウトされる。

　この照明装置３０を点灯させた場合、散乱部８で散乱された光線群のうち、グローブ２の内面に対する入射角が最大となるのは、散乱部８の光源６に近い端部で散乱された光線Ｌ２である。一方、グローブ２の内面に対する入射角が最小となるのは散乱部８の光源６から離間した端部で散乱された光線Ｌ１である。

　これらの光線Ｌ１、Ｌ２のグローブ２の内面における反射成分は、すべてグローブ２の頂部の方向（つまり、光源６から離れる方向）に向かう。つまり、グローブ２の内面で反射された光線は、光学素子４、基板１１、或いは拡散部３に向かわない。これにより、狭角成分が増加し、グローブ２の頂部にけるテカリを演出できる。

　また、器具効率を考えると、フレネル反射成分が少ないほうがよく、グローブ２の中心Ｒが散乱部８の光源６から離れた端部にあるとよい。本実施形態では、グローブ２の内面で反射した光線が光学素子４、基板１１、或いは拡散部３に向かわないため、光線が吸収されることがなくロスが少ない。

　以上のように、本実施形態によると、光学素子４、基板１１、或いは拡散部３における光線の吸収ロスを少なくでき、光学素子４によって広配光を保ちつつ、挟角成分を増加させ、グローブ２の頂部が明るい電球を実現できる。

（第４の実施形態）
　図５は、第４の実施形態に係る照明装置４０を示す概略図であり、図６は、第５の実施形態に係る照明装置５０を示す概略図である。図５の照明装置４０は、いわゆるシャンデリア球型の電球であり、図６の照明装置５０は、いわゆるボール球型の電球である。

　上述した第１乃至第３の実施形態では、いわゆる一般電球型の電球について説明したが、これらシャンデリア球型やボール球型の電球に本発明を適用することもできる。

（光学素子の変形例）
　図７は、上述した第１乃至第５の実施形態の照明装置に組み込まれた光学素子４の変形例を示す概略図である。この変形例に係る光学素子６０は、平らな光入射面６１および回転楕円形の空洞である散乱部６２を有する以外、上述した光学素子４と同様の構造を有する。よって、ここでは光学素子４と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

　散乱部６２の形状は、光学素子の先端に開口した凹部や回転楕円形に限らず、球形や光学素子の基端に開口した凹部など、種々の形状を選択することができる。いずれにしても、散乱部は、光学素子の中心軸に対して回転対称形であればよい。

　いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

　２…グローブ、３…拡散部、３ａ…表面、４…光学素子、４ａ…光入射面、５…口金、６…光源、６ａ…発光面、８…散乱部、８ａ…開口部、８ｂ…拡散面、１０、２０、３０、４０、５０…照明装置、１１…基板、１１ａ…表面、１１ｂ…裏面、１２…封止樹脂、Ｈ…法線、Ｌ１、Ｌ２…光線、Ｒ…グローブの中心。

Claims

　グローブと、
　内部に散乱部を備えた可視光に対して透明な光学素子と、
　この光学素子の光入射面に対向して配置された光源と、を備え、
　前記散乱部は、前記グローブ内に配置される、
　照明装置。
　前記光学素子は回転対称形であり、
　前記グローブは回転対称形であり、
　前記光学素子の第１の回転対称軸と前記グローブの第２の回転対称軸が一致する、
　請求項１の照明装置。
　前記散乱部は、前記グローブの中心に対して、前記光源と反対側に位置する、
　請求項１の照明装置。
　前記散乱部の前記光源側の端部は、前記グローブの中心に位置する、
　請求項３の照明装置。
　前記散乱部は、前記グローブの中心を含む位置にある、
　請求項１の照明装置。
　前記散乱部の中心が前記グローブの中心と一致する、
　請求項５の照明装置。
　前記散乱部は、前記グローブの中心より前記光源側に位置する、
　請求項１の照明装置。
　前記散乱部の前記光源と反対側の端部は、前記グローブの中心に位置する、
　請求項７の照明装置。
　前記光源はＬＥＤ素子を含み、
　前記光源の発光面が前記光学素子の前記光入射面に対向する、
　請求項１の照明装置。
　光を拡散反射するように表面処理され、前記光源と熱的に接続され、前記グローブ内に配置された拡散部をさらに有する、
　請求項１乃至請求項９のいずれか一項の照明装置。
　前記グローブは一般電球型である、
　請求項１乃至請求項９のいずれか一項の照明装置。
　前記グローブはシャンデリア球型である、
　請求項１乃至請求項９のいずれか一項の照明装置。
　前記グローブはボール球型である、
　請求項１乃至請求項９のいずれか一項の照明装置。