JP6501173B2

JP6501173B2 - 照明装置

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Inventors: 優樹姫野; 鈴木　良太; 良太鈴木
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Description

本発明は、光学部材を備え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行うことができる。

従来、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２００７−１３４３１６号公報

しかしながら、従来の照明装置においては、輝度ムラが発生するという問題がある。

そこで、本発明は、上述の事情を鑑みてなされたもので、輝度ムラが抑制された照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る照明装置の一態様は、固体発光素子を含む光源と、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、前記光源からの光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光が出射する出射面とを備え、前記入射面は、前記光源からの光が直接的に入射する入射部と、前記入射部に入射した光を反射する反射部とを有する環状の突起部を備え、前記突起部は平面視において第一の形状を有し、前記出射面の少なくとも一部には、光を拡散する複数の光拡散部が所定の配置パターンで配置され、前記第一の形状は、前記所定の配置パターンの形状と異なる。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記光拡散部は、隣接する前記光拡散部間に隙間がないように配置される構成としてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記光拡散部は、球面状の形状を有す構成としてもよい。

また、本発明に係る照明装置の一態様において、前記所定の配置パターンの形状は、前記光学部材の光軸を中心とする螺旋形状である構成としてもよい。

本発明によれば、輝度ムラが抑制された照明装置を提供することができる。

図１は、実施の形態に係る照明装置の分解斜視図である。図２は、実施の形態に係る照明装置の断面図である。図３は、実施の形態に係る光学部材の断面図である。図４は、実施の形態に係る光学部材の出射面を示す図である。図５は、実施の形態に係る光学部材の出射面の中心付近を示す拡大図である。図６は、実施の形態に係る光学部材の一部拡大断面図である。図７は、光学部材の光拡散部が形成された出射面を示す図である。図８は、光学部材の光拡散部が形成された出射面の中心付近を示す拡大図である。図９は、出射面に光拡散部が形成された光学部材の一部拡大断面図である。図１０は、光学部材に入射される光源からの光の光路の概略図である。

（本発明の基礎となる知見）
本発明の実施の形態に関する説明に先立って、本発明の基礎となる知見について説明する。ここでは、光源として集積型のＬＥＤモジュールを用い、複数の環状の突起部を有するフレネルレンズを光学部材として用いる照明装置において、輝度ムラを抑制する技術について説明する。

光源として集積型のＬＥＤモジュールを用いる照明装置においては、フレネルレンズによって配光制御された出射光に、集積されたＬＥＤチップの行列状の配置パターンに対応する輝度ムラが発生する場合がある。以下、当該輝度ムラを抑制するために、光学部材の出射面に多数の微小な光拡散部（凹凸部）を形成する技術について説明する。

図７は、光学部材９０の光拡散部が形成された出射面を示す図である。ここで、出射面とは、光源から光学部材９０に入射された光が出射される側の面であり、入射面とは、光源からの光が光学部材９０に直接入射される側の面である。図７に示される網目状の実線が、各光拡散部の輪郭を示す。また、図７に示される中心点Ｃ２は、出射面上において光軸が通る点を示す。さらに、図７には、光拡散部の輪郭の他に、光学部材９０の入射面に形成された環状の突起部の一部の稜線が点線によって示されている。図７に示されるように、突起部は中心点Ｃ２を中心とする同心円状に形成されている。

図８は、図７に示される光学部材９０の出射面の中心点Ｃ２付近を示す拡大図である。図８に示されるように、光学部材９０の出射面の光拡散部は、中心点Ｃ２を中心とするほぼ同心円状の配置パターンで配置されている。すなわち、光拡散部は、隣り合う光拡散部が、中心点Ｃ２を中心とする同心円に沿って並ぶように配置されている。

図９は、光学部材９０の光軸を通る断面の一部を拡大して示す図である。図９に示されるように、光学部材９０の出射面に形成された光拡散部９３は、同一の曲率半径を有する凸状の球面形状に形成されている。また、光学部材９０の入射面には、光源からの光が直接的に入射する入射部９１１と、入射部９１１に入射した光を反射する反射部９１２とを有する環状の突起部９１が形成されている。

図７、図８及び図９に示されるような光学部材９０を用いることによって、光源におけるＬＥＤチップの配置に対応する輝度ムラは抑制される。

しかしながら、光学部材９０を用いた場合には、出射光の外周に環状の輝度ムラが発生することが判明した。当該輝度ムラについて、図１０を用いて説明する。

図１０は、光学部材９０に入射される光源からの光の光路の概略図である。図１０に示されるように、光学部材９０の入射面には、環状の突起部９１が複数形成される。突起部９１は、光源からの光が直接的に入射する入射部９１１と、入射部９１１に入射した光を反射する反射部９１２とを有する。光学部材９０の突起部９１に光源から直接的に入射する光の大部分が、図１０に示される光路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４のような光路に沿って伝播する。すなわち、突起部９１に入射される光（Ｐ１参照）は、突起部９１の入射部９１１に入射し、屈折されて突起部９１内を伝播した後（Ｐ２参照）、反射部９１２で反射され、配光制御した角度方向へ行き（図１０は狭角の場合）、出射面に入射して（Ｐ３参照）、出射面から出射する（Ｐ４参照）。しかしながら、突起部９１に入射される光の一部は、図１０に示される光路Ｐ５、Ｐ６及びＰ７、並びに、光路Ｐ８、Ｐ９及びＰ１０のような光路に沿って伝播する。すなわち、突起部９１の入射部９１１に入射した光の一部（Ｐ５及びＰ８参照）は、反射部９１２によって反射されることなく出射面まで伝播し（Ｐ６及びＰ９参照）、光学部材９０によって適切に配光制御されることなく出射する（Ｐ７及びＰ１０参照）。

このような光学部材９０によって適切に配光制御されることなく出射する光は、光学部材９０の入射面に同心円状に形成された各突起部９１において発生するため、出射光の外周に、同心円状の輝度ムラが発生する。なお、光学部材９０の出射面に形成された光拡散部９３によって、この輝度ムラは、十分に抑制されない。すなわち、光拡散部９３は突起部９１の平面視における形状と同様に同心円状の配置パターンで配置されているため、中心点Ｃ２を中心とする同一円周上の光の光拡散部９３による径方向における屈折の向きは、当該同一円周上の各位置において大きく異ならない。また、当該同一円周上の光は、周方向においては、光拡散部９３によって様々な向きに屈折されて拡散されるが、同心円状の光が周方向に拡散しても、光全体としての輝度分布の変化は小さい。したがって、上記の輝度ムラの原因となる同心円状の光（図１０のＰ７及びＰ１０）は、同心円状に配置された光拡散部９３を透過しても、ほぼ同心円状の輝度分布を維持したまま、光学部材９０の出射面から出射する。すなわち、光拡散部９３によって、出射光の外周における輝度ムラは十分に抑制されない。この輝度ムラは、照明装置を使用する際、壁面、床面などの光照射面に環状の照度ムラとなって現れる。

なお、輝度ムラを抑制するための手段として、例えば、光学部材９０の出射面にシボ加工を施して、出射光を拡散させる手段が考えられる。しかしながら、光学部材９０の出射面に輝度ムラを十分抑制し得る程度のシボ加工を施すと、シボ加工部における光の反射成分が増大し、また、拡散の度合いも大きくなる。したがって、出射光の中心付近における光度が大幅に低下するという問題が発生する。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、照明装置の輝度ムラを抑制することを目的とする。さらに、本発明の実施の形態における、照明装置の出射光の中心付近における光度低下を抑制する手段についても説明する。

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。なお、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について、図を用いて説明する。

図１は、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に示される照明装置の断面図である。

図１及び図２に示される照明装置１は、例えばスポットライトや下方に光を照射するダウンライトなどの照明器具に用いられる。

図１及び図２に示されるように、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に示されるように、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出射するＬＥＤ光源である。光源２０は、例えば白色光を出射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（ＬＥＤチップ）である複数のＬＥＤ２０ａと、それらＬＥＤ２０ａを封止し、蛍光体を含む封止部材とを備える。なお、本実施の形態では、封止部材は全てのＬＥＤ２０ａを一括封止しているが、封止部材の構成はこれに限られない。ライン状に配列されたＬＥＤ２０ａの配列方向に沿って複数本のライン状に封止部材を形成する構成としてもよい。

また、図２に示される照明装置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、例えばセラミックス基板、樹脂基板又は絶縁被覆されたメタルベース基板などである。また、基台２０ｂは、例えば平面視において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、アルミニウムなど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、銀やアルミニウムなど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。また、器具本体４０は、光源２０で発生する熱を放熱するヒートシンクとしても機能する。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に光源２０を固定する構成は、器具本体４０に光源２０を直接固定する構成に限られない。例えば、器具本体４０の取付部に放熱部材（ヒートシンク）を介して、光源２０を固定する構成としてもよい。

また、図１に示されるように、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に固定された光源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の入射面（図２で上側面）から入射した光源２０の光を入射面に対向する出射面（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）、ポリカーボネートなどの透明樹脂材料、又は、ガラス材料などの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る。

図４は、実施の形態に係る光学部材の一例の出射面を示す図である。

図５は、実施の形態に係る光学部材の一例の出射面の中心付近の拡大図である。

図６は、実施の形態に係る光学部材の一例の断面の一部を拡大して示した図である。

図３に示されるように、光学部材１０は、光源２０からの光が入射される入射面１０１と、入射面１０１から入射された光を出射する出射面１０２とを備える。また、入射面１０１は、複数の環状の突起部１１と、中央部１２とを備える。

また、各突起部１１は円環状であり、図６に示されるように、光源２０からの光が直接的に入射する入射部１１１と、入射部１１１に入射した光を反射することで光を出射する反射部１１２とを備える。

また、図６に示されるように、光学部材１０の出射面１０２は、光を拡散する複数の光拡散部１３を備える。出射面１０２が備える光拡散部１３は、図４及び図５に示されるような配置パターンで配置される。図４及び図５に示される網目状の実線が、各光拡散部１３の輪郭を示す。本実施の形態では、光拡散部１３は、球面状の形状を有する。また、図４及び図５に示される中心点Ｃ１は、出射面上において光軸が通る点を示す。さらに、図４には、光拡散部１３の輪郭の他に、光学部材１０の入射面１０１に形成された突起部１１の一部の稜線が点線によって示されている。図４に示されるように、複数の突起部１１は中心点Ｃ１を中心とする同心円状に形成されている。

図５に示されるように、光拡散部１３は、中心点Ｃ１付近においては、ほぼ同心円状に配置されるが、それ以外の出射面１０２の領域においては、光拡散部１３は中心点Ｃ１を中心としてほぼ螺旋形状（渦巻き形状）に配置される。

［作用］
ここで、本実施の形態に係る照明装置１の主に光学部材１０の作用について説明する。図１０を用いて上述したように、本実施の形態に係る光学部材１０を用いた場合にも、光源２０からの光のうち環状の突起部１１の反射部１１２に入射することなく、出射面１０２に到達する環状の光が発生し得る。

上述したように、当該環状の光の周方向に沿って、光拡散部が配置されている場合には、当該環状の光に起因する輝度ムラを抑制できない。すなわち、フレネルレンズからなる光学部材の入射面に形成された環状の突起部の平面視における形状と、光学部材の出射面に形成された光拡散部の配置パターンの形状とが一致する場合には、出射光の外周における環状の輝度ムラを抑制できない。そこで、本実施の形態では、光学部材１０の突起部１１の平面視における形状と、光拡散部１３の配置パターンの形状とを一致させない構成を採用している。これにより、出射光の外周における輝度ムラを抑制できる。

以下、本実施の形態における、突起部１１の平面視における形状と、光拡散部１３の配置パターンの形状との関係について詳述する。

本実施の形態に係る光学部材１０の各突起部１１は、図４に示されるように、平面視において円環状の形状を有する。したがって、突起部１１の入射部１１１から入射されて反射部１１２によって反射されずに出射面１０２に到達する光も円環状の形状を有する。一方、光拡散部１３の配置パターンは、図４及び図５に示されるように、螺旋形状である。

したがって、本実施の形態では、隣り合う光拡散部１３の配列方向が、上記円環状の光の周方向に一致しない。これにより、当該円環状の光の光拡散部１３による径方向における屈折の方向は、光の周方向の位置によって大きく異なる。そのため、当該円環状の光は、径方向の広い範囲に拡散されるため、照明装置１の出射光の外周における輝度ムラが抑制される。

本実施の形態では、光拡散部１３の配置パターンの形状として、螺旋形状を採用したが、配置パターンの形状はこれに限られない。照明装置１の輝度ムラの原因となる環状の光の径方向と、当該環状の光の光路上における隣接する光拡散部１３の配列方向とが一致しないような任意の予め定められた規則性を有する配置パターンの形状が採用され得る。また、突起部１１の平面視における形状と光拡散部１３の配置パターンの形状とが一致しないように、突起部１１の平面視における形状を円形以外の形状に変えてもよい。

また、本実施の形態では、光学部材１０の中心点Ｃ１付近の光拡散部１３の、上記円環状の光に起因する輝度ムラに対する影響は小さいため、中心点Ｃ１付近の光拡散部１３は、同心円状の配置パターンで配置されている。しかしながら、中心点Ｃ１付近の光拡散部１３も、螺旋形状の配置パターンで配置してもよい。

また、本実施の形態では、光拡散部１３は、図４及び図５に示されるように、隣接する光拡散部１３間に隙間がないように配置されている。このように配置することで、光拡散部１３の配置パターンの形状に対応する輝度ムラが発生することを抑制することができる。

また、各光拡散部１３の寸法及び曲率半径は、出射光の光度を大幅に低下させることなく、輝度ムラを抑制できるように最適化され得る。

また、本実施の形態では、光拡散部１３の形状を凸状の球面形状としたが、光拡散部１３の形状はこれに限られず、凹状の球面形状としてもよい。

［効果など］
以上に述べたとおり、本実施の形態に係る照明装置１は、集積されたＬＥＤ２０ａからなる光源２０と、光源２０から入射された光を出射する光学部材１０とを備える。そして、光学部材１０は、光源２０からの光が入射する入射面１０１と、入射面１０１から入射する光を出射する出射面１０２とを備える。また、入射面１０１は、光源２０からの光が直接的に入射する入射部１１１と、入射部１１１に入射した光を反射する反射部１１２とを有する環状の突起部１１を備える。さらに、出射面１０２の少なくとも一部には、光を拡散する複数の光拡散部１３が所定の配置パターンで配置され、当該所定の配置パターンの形状は、突起部１１の平面視における形状と異なる。

この構成により、本実施の形態に係る照明装置１においては、光学部材１０が備える突起部１１の入射部１１１から入射して、反射部１１２によって反射されることなく出射面１０２に到達する環状の光を光拡散部１３によって拡散させることができる。したがって、本実施の形態に係る照明装置１においては、出射光の外周における輝度ムラを抑制することが可能となる。

また、本実施の形態に係る照明装置１においては、さらに、光拡散部１３が、隣接する光拡散部１３間に隙間ができないように配置されている。

この構成により、本実施の形態に係る照明装置１においては、光拡散部１３の配置パターンの形状に対応する輝度ムラを抑制することができる。

本実施の形態に係る照明装置１においては、さらに、光拡散部１３は、球面状の形状を有する。

この構成により、照明装置１の出射光の中心光度を大幅に低下させることなく、輝度ムラを抑制することができる。また、この構成によれば、シボ加工などを用いて光拡散を行う場合に比べて、光拡散の度合いを制御し易い。また、光拡散部１３の形状を金型によって成型する場合、球面状の光拡散部１３は、シボ加工状の形状の光拡散部より、容易にかつ再現性よく成型できる。

（変形例など）
以上、本発明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、これらの実施の形態に限定されない。

例えば、上記実施の形態では、光源２０としてベアチップである複数のＬＥＤ２０ａが基台２０ｂに直接実装されたＣＯＢ（ＣｈｉｐＯｎＢｏａｒｄ）型の発光モジュールを採用したが、他の固体発光素子を用いてもよい。例えば、光源として、表面実装（ＳＭＤ：ＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔＤｅｖｉｃｅ）型ＬＥＤを基台２０ｂに実装したＳＭＤ型の発光モジュールを用いてもよい。また、有機ＥＬ素子など他の固体発光素子を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、光拡散部１３の配置パターンの形状として螺旋形状を採用したが、突起部１１の平面視における形状と異なる配置パターンの形状は、これに限られない。例えば、突起部１１の平面視における形状が同心円状であれば、光拡散部１３の配置パターンの形状としては、矩形形状などが採用され得る。また、光源２０におけるＬＥＤ２０ａの配置パターンに対応する輝度ムラを抑制するために、光拡散部１３の配置パターンの形状として、ＬＥＤ２０ａの配置パターンの形状と異なる形状が採用されてもよい。

また、上記実施の形態では、光源２０において複数のベアチップであるＬＥＤ２０ａを用いたが、単一のＬＥＤチップを用いてもよい。この構成においては、例えば、単一のＬＥＤチップの配光パターンに輝度ムラがある場合に、光学部材１０から出射される光の輝度ムラを抑制することができる。

また、上記実施の形態では、全ての光拡散部１３の曲率半径を同一とする構成を採用したが、光拡散部１３毎に曲率半径を変えてもよい。

また、上記実施の形態では、球面状の光拡散部１３を採用したが、光拡散部１３の形状は、これに限られない。例えば、微小な平面を組み合わせたファセット状の形状などが採用され得る。

また、上記実施の形態では、反射板３０を用いたが、反射板３０を用いなくてもよい。

その他、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、又は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態又は変形例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中央部
１３、９３光拡散部
２０光源
２０ａＬＥＤ
２０ｂ基台
３０反射板
４０器具本体
５０枠体
１０１入射面
１０２出射面
１１１、９１１入射部
１１２、９１２反射部
Ｃ１、Ｃ２中心点

Claims

複数の固体発光素子を含む光源と、
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、前記光源からの光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光が出射する出射面とを備え、
前記入射面は、前記光源からの光が直接的に入射する入射部と、前記入射部に入射した光を反射する反射部とを有する環状の突起部を備え、
前記突起部は平面視において第一の形状を有し、
前記複数の固体発光素子の配置パターンは、第二の形状を有し、
前記出射面の少なくとも一部には、光を拡散する複数の光拡散部が所定の配置パターンで配置され、
前記第一の形状及び前記第二の形状は、前記所定の配置パターンの形状と異なり、
前記所定の配置パターンの形状は、前記光学部材の光軸を中心とする螺旋形状である
照明装置。
前記光拡散部は、隣接する前記光拡散部間に隙間がないように配置される
請求項１に記載の照明装置。
前記光拡散部は、球面状の形状を有する
請求項１又は２に記載の照明装置。