JP2014102973A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源などを用いても、側面方向の光度が高く、白熱電球やキャンドルのような見映えをＬＥＤ光源で実現した電球形の照明装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、電球形の照明装置は、頂面を有する基材２と、基材頂面２ａに配置された光源４と、下端開口５ａを有するドーム状に形成され、基材頂面に下端開口側が固定され光源を覆った光学部品５と、基材頂面に固定され光源および光学部品を覆った透明性を有する透光カバー６と、を備えている。光学部品は、壁部の肉厚が前記下端開口の径よりも小さく形成されている。光学部品は、光源からの光が入射するドーム内面あるいは光を外部に放出するドーム外面の全域に設けられた複数のプリズム１０を有し、プリズムは、光学部品のドーム頂点Ｔを北極としたときに入射した光線の緯度方向角度を光学部品の南半球方向に変えて出射し、光学部品を通して見た際に、光源の虚像を基材頂面から浮き上がった位置に形成する。
【選択図】図１

Description

この実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のように実装された面法線方向に限られた狭い配光分布を持つ光源を用いる電球形の照明装置に関する。

照明装置としては、白熱電球や蛍光灯が広く用いられてきたが、寿命、発光効率、水銀汚染、紫外線漏れなどの問題を抱えていた。近年、これらの問題を解消する技術として、ＬＥＤ光源やＥＬ（エレクトロルミネッセンス）光源が開発され、特にＬＥＤ光源は一般の照明装置への利用が加速度的に広がっている。

しかしながら、ＬＥＤ光源のような実装基板に実装された光源の光は、実装基板の法線方向に強く光を放出し、側面から背面にかけて光が放出されない指向性を有している。そのため、正面から背面までほぼ均一な光度分布をもつ従来の白熱電球と、ＬＥＤ光源を用いた電球型照明装置とを置き換えた場合、天井や壁の明るさが著しく変わってしまい、違った照度空間となってしまう。

特に、キャンドルから生じたシャンデリア用途では、炎のように白熱電球のフィラメントが直視できる照明装置が好まれており、側面方向に点状に輝くことで周囲の散乱用アクセサリィに反射してキラキラと輝く照明装置を実現している。しかし、ＬＥＤ光源を用いた照明装置では、このようなフィラメント直視型の白熱電球やキャンドルと同じような見映えをもつ照明装置の実現が困難であった。

特許第４２９０８８７号公報 特開２００５−０５５４６号公報 特許第４９４５６９０号公報 特開２０１１−１４２０６０号公報 特開２０１２−６４５５８号公報 特開２０１２−７４２６４号公報 特開２０１２−１４６４５０号公報

この発明は、ＬＥＤ光源などを用いても、側面方向の光度が高く、フィラメントが直視される白熱電球やキャンドルのような見映えをＬＥＤ光源で実現した電球形の照明装置を提供することにある。

実施形態によれば、電球形の照明装置は、頂面を有する基材と、前記基材頂面に配置された光源と、下端開口を有するドーム状に形成され、前記基材頂面に前記下端開口側が固定され前記光源を覆った光学部品と、前記基材頂面に固定され前記光源および光学部品を覆った透明性を有する透光カバーと、を備え、
前記光学部品は、壁部の肉厚が前記下端開口の径よりも小さく形成され、前記光学部品は、前記光源からの光が入射するドーム内面あるいは光を外部に放出するドーム外面の全域に設けられた複数のプリズムを有し、前記プリズムは、前記光学部品のドーム頂点を北極としたときに入射した光線の緯度方向角度を前記光学部品の南半球方向に変えて出射し、前記光学部品を通して見た際に、前記光源の虚像を前記基材頂面から浮き上がった位置に形成する。

図１は、第１の実施形態に係る電球形の照明装置を示す断面図。 図２は、前記電球形の照明装置を示す断面図。 図３は、前記照明装置の光線軌道を示す図。 図４は、第１の実施形態に係る電球形の照明装置を側面から見たときの光り方を示す図。 図５は、前記照明装置の配光分布を示す図。 図６は、第１変形例に係る電球型の照明装置を示す断面図。 図７は、第２変形例に係る電球形の照明装置を示す断面図。 図８は、第２変形例に係る電球形の照明装置の配光分布を示す図。 図９は、第２変形例に係る電球形の照明装置を側面から見たときの光り方を示す図。 図１０は、第３変形例に係る電球形の照明装置を示す断面図。 図１１は、第３変形例に係る電球形の照明装置の配光分布を示す図。 図１２は、第３変形例に係る電球形の照明装置を側面から見たときの光り方を示す図。 図１３は、第２の実施形態に係る電球形の照明装置を示す断面図。 図１４は、第４変形例に係る電球形の照明装置を示す断面図。 図１５は、第５変形例に係る電球形の照明装置における光学部品のプリズム構造を示す斜視図。 図１６は、前記第５変形例に係るプリズムの一部を拡大して示す斜視図。

以下、図面を参照しながら、種々の実施形態に係る照明装置について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電球形の照明装置としてＬＥＤ電球１を示す断面図である。ＬＥＤ電球１は、中心軸Ｃに対して回転対称の形状をしている。

ＬＥＤ電球１は、前面に平坦な基材頂面２ａを有する基材２と、基材頂面２ａに実装されたＬＥＤから成る光源４と、基材頂面２ａ上に配置されて光源４を覆うドーム状の光学部品５と、同じく基材頂面２ａに配置されて光源４および光学部品５を覆う透明性を有する透光カバー６と、を備えている。

基材２は、金属製の筐体かつ放熱部材であり、ほぼ切頭円錐状に形成されて上端（前面）に平坦なほぼ円形の基材頂面２ａを有し、基材２の下端に口金８が設けられている。光源４は、基材頂面２ａの中心に配置されている。基材２の内部には、光源４を駆動する駆動回路１１が収納されている。口金８から給電された電力は、駆動回路１１により光源４に供給して発光させる構成となっている。基材２は、透光カバー６および口金８を保持してＬＥＤ電球１の外面形状を形成するとともに、光源４の熱に対するヒートシンクと放熱板を兼ねている。

透光カバー６は、透明樹脂で円形の下端開口６ａを有する球状に形成されている。透光カバー６は、その下端側が基材頂面２ａの周縁部に固定され、光源４および光学部品５を覆っている。

ドーム状の光学部品５は、透明性を有する材料で、例えば、三角錐状に縦長に形成され、円形の下端開口５ａと、中心軸Ｃ上に位置するドーム頂点Ｔと、を有している。すなわち、光学部品５は、中心軸Ｃに沿った高さが下端開口５ａの径よりも大きい、縦長に形成されている。そして、光学部品５は、下端開口５ａ側の下端を光源４の周囲で基材頂面２ａに固定することにより、中心軸Ｃと同軸的に配置され、更に、光源４を覆っている。

光学部品５は、三角錐のドーム内面である入射面５ｂで光源４からの光を入射し、三角錐のドーム外面となる出射面５ｃから外部へ光を放出する。光学部品５は、その壁部の肉厚が下端開口５ａの径よりも小さい。光学部品５は、その入射面（ドーム内面）５Ｃ、あるいは、出射面（ドーム外面）５ｂの少なくとも一方に形成された複数のプリズムを一体に有している。本実施形態では、光学部品５の出射面５ｃの全域に複数のプリズム１０が形成されている。各プリズム１０は、例えば三角形（クサビ状）の断面を有し、中心軸Ｃと同軸の環状に形成されている。そして、複数のプリズム１０は、ドーム頂点Ｔから下端開口５ａに亘って並んで形成されている。

プリズム１０は、光源４から入射した光を屈折あるいは反射して、光学部品５のドーム頂点Ｔを北極としたときに入射光線（破線矢印）を経度方向には作用させず緯度方向のみ南半球方向に曲げて外部に出射（実線矢印）させる。これにより、プリズム１０は、光学部品５の外側から光源４を見た場合に、光源４の虚像Ｓを基材頂面２ａとドーム頂点Ｔとの間に浮き上がった位置に形成するように機能する。ドーム状の光学部品５により、基材頂面２ａに実装された光源４は外部から直視できず、あたかも透光カバー６の中心付近に浮き上がったように見え、従来のキャンドルの炎を直視する見え方に似せることができる。

図２および図３は、実際に設計したＬＥＤ電球１の断面図、および、その光線軌道を光学解析した結果を示す図である。図４は、ＬＥＤ電球１を側面から見たときの見え方を示す図、図５は、ＬＥＤ電球１の配光分布を示す図である。

図２ないし図５に示すように、第１の実施形態によれば、光学部品５により基材頂面２ａに実装された光源４の虚像Ｓを浮かび上がらせて、あたかもキャンドルの炎が発光しているように見せることができる。ＬＥＤ電球１の配光分布は、側面方向に強い光度で光を放出する設計としている。これにより、ＬＥＤ電球１は、広い範囲を照射することができるとともに、シャンデリアのような側面周囲に光散乱反射部品があるような照明器具での見映えを向上させることができる。

ＬＥＤ電球１において、ドーム状の光学部品５は、中空の三角錐形状であるため最大でも５ｍｍ以内の薄肉に設計されている。そのため、光学部品５は、中実の光学部品と比べて射出成型での量産性が非常に高くなっている。

また、光学部品５は、従来のレンズ部品や導光部品と比べて、光源４の光を入射する入射面５ｂが光源４から非常に離れており、入射面５ｂで反射した光が光源４に再吸収される損失が少ない。更に、光学部品５は、光源４の仕様に非常に鈍感であり、ＣＯＢ光源や各種配列のＳＭＤ光源に同じ仕様のドーム状光学部品５で対応することができ、途中でＬＥＤ仕様を切り換えてもドーム状光学部品５をそのまま使うことができる。そのため、広い製品で光学部品５を共有することができる。

以上のように構成された第１の実施形態によれば、ＬＥＤ光源などを用いても、側面方向の光度が高く、フィラメントが直視される白熱電球やキャンドルのような見映えを実現した電球形の照明装置を得ることができる。

なお、第１の実施形態では、透光カバー６のドーム状外面にプリズム１０を設けたが、これに限らず、ドーム状内面に複数のプリズムを設けてもよく、あるいは、内面および外面の両面にプリズムを設けても良い。

次に、種々の変形例に係る照明装置について説明する。なお、以下に述べる種々の変形例において、第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。

（第１変形例）
図６は、第１変形例に係るＬＥＤ電球１を示す断面図である。ＬＥＤ電球１は、基本的に第１の実施形態と同じ構成であるが、光学部品５のドーム形状は、下半分を円筒状、上半分を三角錐状としている。これは、光学部品５の下半分を円筒状といて光源４から照射される入射角度を低角度とすることで光量を落として暗くし、相対的に光学部品の上半分で放出する光量を強める形状としている。勿論、光学部品５の下半分は円筒状ではなく上側に拡大した形状としてさらに光学部品の上半分で強く光る構成としてもよい。

（第２変形例）
図７は、第２変形例に係るＬＥＤ電球１を示す断面図、図８は、ＬＥＤ電球の配光分布を示す図、図９は、ＬＥＤ電球を側面から見たときの見え方を示す図である。図７に示すように、ＬＥＤ電球１は、基本的に第１の実施形態と同じ構成であるが、光学部品５のドーム形状が第１の実施形態と相違している。すなわち、ドーム状の光学部品５は、ドーム頂点Ｔから下端開口５ａまで、直線ではなく、外側に湾曲し、やや膨らませたドーム形状としている。

この実施形態では光学部品５の頂上部分も含めてすべてのプリズム１０で出射する光線が全て側面方向になるようにプリズム形状を設計した。従って、図９に示すように、ＬＥＤ電球１を側面から見ると光学部品５の根元から頂上まで縦長に光源４の虚像が発光して見えることになり、あたかもロウソクの炎のように縦長の発光イメージを演出することができる。また、図８に示すように、その配光分布も極端な側面方向集中型となり、特にシャンデリアなどでキャンドルの代わりに用いることができる。

（第３変形例）
図１０は、第３変形例に係るＬＥＤ電球１を示す断面図、図１１は、ＬＥＤ電球の配光分布を示す図、図１２は、ＬＥＤ電球を側面から見たときの見え方を示す図である。図１０に示すように、ＬＥＤ電球１は、基本的に第１の実施形態と同じ構成であるが、光学部品５のドーム形状が第１の実施形態と相違している。すなわち、ドーム状の光学部品５は、ドーム頂点Ｔから下端開口５ａまで、直線ではなく、外側に湾曲し、やや膨らませたドーム形状としている。

図１１に示すように、ＬＥＤ電球１の配光分布は、完全に側面方向が最大となる設計としている。図９に示すように、ＬＥＤ電球１を側面から見たときに光源４の虚像が点状に光るように、複数のプリズム１０を設計している。さらに、この変形例では光学部品５の頂上を三角錐のクサビ状に成形しており、縦長に発光した像の最も高い部分が細く尖って発光するように設計している。

以上のように構成された第１ないし第３変形例によれば、ＬＥＤ光源などを用いても、側面方向の光度が高く、従来のフィラメントが直視される白熱電球やキャンドルのような見映えを実現した電球形の照明装置を得ることができる。

前述した第１の実施形態および変形例では、透明な透光カバー６の内部にドーム状の光学部品５を配置し、光源４の虚像が基材頂面２ａから浮かび上がるように設計することで、フィラメント発光のイメージあるいはロウソク発光のイメージに類似させた電球形の照明装置を実現している。また、ドーム状の光学部品５は透明性を有する構成としている。この光学部品５は、
なお、光学部品５は、乳白材料により細身のドーム状に形成してもよい。透明ではなく、乳白材料を用いることにより、光学部品５自体が発光光源としてふるまうことになる。光学部品５を縦長に形成するなどで、キャンドルの炎を模した見映えを実現することができる。この場合、プリズム１０の効果を残すためには、乳白の濃さは薄めが望ましいが、一方で光源虚像が見えず光学部品５全体が光るようにするためには、逆に乳白は濃い目が有利となる。このことから、乳白の濃さ、すなわち、光学部品５の透過率の最適範囲は、光学部品の肉厚を２ｍｍとした場合、透過率９０〜７０％の範囲である。

次に、他の実施形態に係る照明装置について説明する。なお、以下に述べる他の実施形態において、第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。

（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態に係る電球形の照明装置としてＬＥＤ電球１を示す断面図である。第２の実施形態において、ＬＥＤ電球１の基本的な構成は第１の実施形態と同じであるが、ドーム状の光学部品５は、縦長のドーム状ではなく、横長のドーム状としている。すなわち、光学部品５は、下端開口５ａの径Ｄよりも、中心軸Ｃに沿った高さＨの方が小さく（Ｄ＞Ｈ）なるように形成されている。光学部品５は、透明な材料、あるいは、乳白の材料で形成され、その入射面（ドーム状の内面）５ｃに複数のプリズム１０が一体に設けられている。各プリズム１０は、例えば三角形あるいはクサビ形状の断面を有し、中心軸Ｃと同軸の環状に形成されている。そして、複数のプリズム１０は、ドーム頂点Ｔから下端開口６ａに亘って並んで形成されている。

光源４の発光虚像をあまり持ち上げる必要はないが側面方向の配光を強化したい、といった用途では、本実施形態のような低くコンパクトな光学部品５で主として配光分布を側面方向を強化するようにしてもよい。

（第４変形例）
図１４は、第４変形例に係るＬＥＤ電球１を示す断面図である。第４変形例において、光学部品５は、縦長のドーム状に形成されている。すなわち、光学部品５は、下端開口５ａの径よりも、中心軸Ｃに沿った高さの方が大きくなるように形成されている。そして、光学部品５の入射面５ｂに複数のプリズム１０が一体に設けられている。第４変形例において、ＬＥＤ電球１の他の構成は、第２の実施形態と同一である。

このように光学部品５の高さを下端開口５ａの径よりも大きくすることで（Ｈ＞Ｄ）、入射面５ａを光源４から遠ざけて入射面５ａで反射した光が光源４に再吸収されることを抑制するとともに、光源４の拡がりやＬＥＤ仕様に対して鈍感に、すなわち光源４の詳細仕様に無頓着にさせることができ、様々な光源４仕様で共通に使用可能としている。

第２の実施形態および第４変形例において、光学部品５は第１の実施形態と形状およびプリズム１０の形成位置が異なるが、光源４の虚像Ｓを浮き上がらせて見せる作用は、第１の実施形態と同じである。従って、第２の実施形態においても、側面方向の光度が高く、従来のフィラメントが直視される白熱電球やキャンドルのような見映えをＬＥＤ光源で実現した電球形の照明装置が得られる。

なお、第１および第２の実施形態において、プリズム１０は、同心円状に回転させた形状を基本形状としているが、この場合、プリズムの配列ピッチが粗いと、プリズム１０の縞々が見えやすくなる。このような見映えを改善するため、図１５および図１６に示す第５変形例のように、各プリズム１０は中心軸Ｃ回りの円周方向（ドーム頂点を北極とした場合の経度方向）に複数に分割して千鳥配列にしてもよい。この場合でも、配光分布は変わらず、見た目の縞々感を緩和することができる。

また、ドーム状の光学部品の表面にシボ処理を施し、見た目の雰囲気を変えるなどしてもよい。ＬＥＤ光源は、チップオンボード（ＣＯＢ）のような集約された１つの光源に限るものではなく、複数のＬＥＤを配列した形態でもよく、複数のＬＥＤを特定の配列にして見た目の効果を付けてもよい。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
上述した実施形態はＬＥＤ電球として説明したが、この発明に係る照明装置は、指向性のある光源とこの光源を囲う透光カバーとの組み合わせであれば、街路灯照明等についても適用することができる。

１…ＬＥＤ電球、２…基材、２ａ…基材頂面、４…光源、５…光学部品、
５ａ…下端開口、６…透光カバー、６ａ…下端開口、１０…プリズム、
１１…駆動回路、Ｓ…虚像

Claims (8)

1. 頂面を有する基材と、
   前記基材頂面に配置された光源と、
   下端開口を有するドーム状に形成され、前記基材頂面に前記下端開口側が固定され前記光源を覆った光学部品と、
   前記基材頂面に固定され前記光源および光学部品を覆った透明性を有する透光カバーと、を備え、
   前記光学部品は、壁部の肉厚が前記下端開口の径よりも小さく形成され、
   前記光学部品は、前記光源からの光が入射するドーム内面あるいは光を外部に放出するドーム外面の全域に設けられた複数のプリズムを有し、前記プリズムは、前記光学部品のドーム頂点を北極としたときに入射した光線の緯度方向角度を前記光学部品の南半球方向に変えて出射し、前記光学部品を通して見た際に、前記光源の虚像を前記基材頂面から浮き上がった位置に形成することを特徴とする電球形の照明装置。
2. 前記光学部品の側面方向に最も強い光度で光を出射する配光分布を有することを特徴とする請求項１に記載の電球形の照明装置。
3. 前記光学部品は、透明な材料で形成されていること特徴とする請求項１又は２に記載の電球形の照明装置。
4. 前記光学部品は、表面にシボが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電球形の照明装置。
5. 前記光学部品は、乳白材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電球形の照明装置。
6. 前記光学部品は、壁部の肉厚が２ｍｍで、透過率が９０〜７０％であることを特徴とする請求項５に記載の電球形の照明装置。
7. 前記光学部品は、中心軸に沿った高さが前記下端開口の径よりも大きい縦長に形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電球形の照明装置。
8. 前記各プリズムは、前記光学部品の経度方向に対して千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電球形の照明装置。

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