JP5240720B2

JP5240720B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5240720B2
Application number: JP2009126538A
Authority: JP
Inventors: 和雄吉田; 秀雄宮城
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: JP2010276685A

Description

本発明は、発光素子による照明光を液晶レンズにより配光する照明装置に関する。

従来から、照明光を発する発光素子と、その照明光を配光する液晶レンズと、液晶レンズを駆動制御するための制御電圧を液晶レンズに印加する制御電源とを備えた照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。液晶レンズは液晶層の各部位を挟む対向電極部を有し、この対向電極部により制御電圧が液晶層の各部位に印加される。これにより、各部位の液晶分子の配向は調整され、液晶層がレンズとして機能する。

ところで、複数の発光素子による照明光を液晶レンズによりそれぞれ配光して所定の照明領域に集光したいとの要請がある。そこで、上述の発光素子、液晶レンズ及び制御電源から成る組み合わせを複数組、設け、各制御電源により各液晶レンズをそれぞれ駆動制御し、各発光素子の照明光を配光することが考えられる。しかしながら、この場合には、制御電源が複数台となるので、サイズが大きくなってしまう。

そこで、液晶レンズを電気的に直列に接続し、それらに１台の制御電源を接続することが考えられる。しかしながら、この場合、制御電源が複数台のときよりも小型化を図ることはできるが、各液晶レンズの駆動に必要な制御電圧が高いので、制御電源を高電圧源とする必要が生じ、従って、製造コストを抑えることが難しくなる。

特開２００５−３１７８７９号公報

本発明は、上記の従来の問題を解決するためになされたものであり、小型化及び製造コストの抑制を図ることができる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は、発光素子と、前記発光素子から発せられる照明光を配光する液晶レンズと、前記液晶レンズに制御電圧を印加する制御電源と、を備えた照明装置において、前記制御電源の出力電圧が両端に印加される分圧抵抗器を備え、前記液晶レンズは、複数、面的に拡がりを持って配置されており、各液晶レンズは、互いに対向する透明基板と、これら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、前記制御電圧が印加され、該制御電圧により液晶層内の液晶分子の配向を制御する透明な対向電極部と、を有し、前記対向電極部は、中心電極及びその中心電極の外周を囲う複数本の帯状電極と、それら中心電極及び帯状電極に対向する電極とにより構成され、前記制御電源に対して電気的に並列に接続されて形成され、各液晶レンズの中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極は、その他の液晶レンズの中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極とそれぞれ並列に接続され、かつ共通に前記分圧抵抗器に接続され、前記中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極は、前記分圧抵抗器により所定の電位に設定されており、前記制御電源は、各液晶レンズの対向電極部に対する制御電圧を制御する電圧調整部を有することを特徴とする。

本発明によれば、制御電源に対して並列に接続された複数の液晶レンズにその制御電源から制御電圧が印加されるので、液晶レンズを駆動するための制御電源は１台で済み、小型化を図ることができると共に、複数の液晶レンズを一括制御することができる。また、液晶レンズを駆動するための制御電圧が液晶レンズを直列接続した場合よりも低くなり、従って、制御電源を定格出力電圧が低い電圧源により構成することができ、製造コストを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る照明装置の構成図。（ａ）は上記装置の液晶レンズの断面構成図、（ｂ）はその液晶レンズの対向電極部の断面斜視図、（ｃ）はその対向電極部の平面図。上記液晶レンズの駆動系回路構成図。上記液晶レンズの各部位の印加電圧と実効複屈折率とを示す図。本発明の一参考形態に係る照明装置の液晶レンズの駆動系回路構成図。上記参考形態の第１の変形例に係る照明装置の液晶レンズの駆動系回路構成図。（ａ）は上記駆動系回路による制御電圧調整動作のタイミングチャート、（ｂ）はその動作の一変形例を示すタイミングチャート。上記参考形態の第２の変形例に係る照明装置の液晶レンズの駆動系回路構成図。

以下、本発明の一実施形態に係る照明装置について図面を参照して説明する。
（一実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る照明装置の構成を示す。この照明装置１は、マトリクス状に配置された複数の発光素子２と、各発光素子２の点灯回路３と、上述の複数の発光素子２にそれぞれ対応して設けられた複数の液晶レンズ４と、これら液晶レンズ４を駆動制御する液晶レンズ制御回路（以下、制御回路という）５と、各液晶レンズ４を駆動制御するための制御電圧を制御回路５に印加する１台の制御電源６と、各発光素子２による照明光を各液晶レンズ４へ向けてそれぞれ反射する複数の反射板７と、発光素子２、点灯回路３及び反射板７を収容する筐体８とを備える。各発光素子２は照明光を発し、各液晶レンズ４はそれらの照明光をそれぞれ配光し、所定の照明領域に集光する。発光素子２の配置は上記に限定されない。

液晶レンズ４は制御電源６に対して互いに電気的に並列に接続されている。制御回路５は、制御電源６からの制御電圧を各液晶レンズ４内の液晶層の各部位に印加し、それらの制御電圧を調整することにより、液晶分子の配向を調整し、これにより照明光を配光してその焦点距離及び照明領域の広さを調整する。

制御電源６は、電池、又は商用電源からの電力を供給する電源回路等により構成される電源６１と、電源６１から各液晶レンズ４に印加する制御電圧を調整する電圧調整部６２とを有する。電源６１は発光素子２及び点灯回路３にも電源を供給する。制御回路５及び制御電源６は筐体８に収容されていてもよい。

筐体８は各発光素子２に対応して設けられた光出射口８１を有する。各液晶レンズ４は各光出射口８１を塞ぐように筐体８に取り付けられており、面的に拡がりを持って配置されている。光出射口８１及び液晶レンズ４の形状は光出射面側から見て略円状であるが、これに限定されない。

図２（ａ）は液晶レンズ４の構成を示し、図２（ｂ）（ｃ）は液晶レンズ４が有する対向電極部の構成を示す。液晶レンズ４は、互いに対向する透明基板４１と、これら透明基板４１の間に液晶材を封じ込めるためのシール材４２と、透明基板４１の間に封入された液晶材から成る液晶層４３と、液晶層４３を挟み、制御電源６から印加される制御電圧により液晶層４３内の液晶分子４３ａの配向を制御する透明な対向電極部４４と、を有する。

対向電極部４４は、図中で上側の透明基板４１に設けられた中心電極４５ａ及び帯状電極４６ａと、これらにそれぞれ対向し、図中で下側の透明基板４１に設けられた中心電極４５ｂ及び帯状電極４６ｂとにより構成される。中心電極４５ａ、４５ｂ（以下、中心電極４５という）は略円盤状であり、帯状電極４６ａ、４６ｂ（以下、帯状電極４６という）は中心電極４５の外周を囲うように複数本、設けられている。これら帯状電極４６は、液晶レンズ４の光出射面側から見て、例えば略Ｃ字の相似形状に形成され、大きい帯状電極４６が小さい帯状電極４６を囲うように、すなわち、年輪状に配設されている。電極４５、４６はＩＴＯ透明導電膜により構成でき、それらの間には絶縁部材が配設されている。各電極４５、４６はそれぞれ、互いに対向する面に配向膜を有し、それらの配向膜は電圧無印加状態で液晶分子４３ａの主軸を略水平又は僅かに斜めとする。

電極４５、４６にはそれぞれ引出電極４７が接続されており、引出電極４７は各電極４５、４６と制御回路５とを繋いでいる。各電極４５、４６は制御回路５により個別に電圧制御される。引出電極４７は帯状電極４６のＣ字の切欠部分に配線されている。

図３は、各液晶レンズ４、制御回路５及び制御電源６の回路構成を示す。ここで、電極４５ａ、４６ａから引き出された引出電極４７を、引出元である中心電極４５ａから最外周の帯状電極４６ａの順に、引出電極４７ａ〜４７ｄと称し、電極４５ｂ、４６ｂ（これらは縮小して描いている）から引き出された引出電極４７を引出電極４７ｅと称する。

液晶レンズ４Ａ、４Ｂの対向電極部４４（４５ａ、４６ａ、４５ｂ、４６ｂ）は制御電源６に対して電気的に並列に接続されており、液晶レンズ４Ａの引出電極４７ａ〜４７ｄと、液晶レンズ４Ｂのそれらとは、それぞれ、互いに並列に接続されている。これにより、液晶レンズ４Ａの各電極４５ａ、４６ａと、液晶レンズ４Ｂのそれらとは、それぞれ対応して同電位とされている。

制御回路５は、制御電源６の出力電圧が両端に印加される分圧抵抗器５１を有し、液晶レンズ４Ａ、４Ｂの引出電極４７ａ〜４７ｅは共通に分圧抵抗器５１に接続されている。分圧抵抗器５１の一端子は、接地され基準電位とされた基準接点５２に接続されている。引出電極４７ａ、４７ｅは基準接点５２と接続され、引出電極４７ｂ〜４７ｄはそれぞれ、分圧抵抗器５１の所定の点に接続され、異なる電位に設定されている。これにより、各液晶レンズ４Ａ、４Ｂにおいて各電極４５ａ、４６ａの電位が互いに異なる所定の値に設定され、液晶層４３（図２（ａ））の各部位に異なる電圧が印加される。ここに、各電極４５ａ、４６ａによる印加電圧を、最内周から最外周の順にＶ_１〜Ｖ_４という。

制御電源６の電圧調整部６２は、電源６１と電気的に直列接続され、液晶レンズ４に流れる電流量を制御し、これにより、各液晶レンズ４の対向電極部４４に対する制御電圧を制御する電圧調整素子（図示なし）を有する。この電圧調整素子は可変抵抗器、可変インピーダンス素子、トランジスタ又はＦＥＴ等により構成でき、可変抵抗の場合には抵抗値制御により、トランジスタの場合にはベース電流制御により、ＦＥＴの場合にはゲート電圧制御により、上述の電流制御が行われる。この制御はユーザによる不図示の操作部への操作に基づいて又は自動でマイクロプロセッサ等が行う。

図４は、電極４５（４５ａ、４５ｂ）、４６（４６ａ、４６ｂ）による液晶レンズ４の各部位への印加電圧Ｖ（Ｖ_１〜Ｖ_４）と、各部位の実効複屈折率Δｎとの関係を示す。図４のグラフの横軸は液晶レンズ４の部位、縦軸は前記の各値である。実効複屈折率Δｎとは、液晶レンズ４を透過する光が常光と異常光とに分かれたときのそれらの光路差である。同図には、印加電圧Ｖの理想特性Ｌｖと、実効複屈折率Δｎの理想特性Ｌｎとを示す。

理想特性Ｌｎは、液晶層４３を、凸レンズとして、詳しくはレンズ厚が中心電極４５ａ、４５ｂにより挟まれた部位で最も厚く、周縁に向かうに連れて薄くなる凸レンズとして機能させる特性である。この特性において、Δｎは中心電極４５ａ、４５ｂにより挟まれた部位で最高であり、周縁に向かうに連れて放物線状に低下している。この理想特性Ｌｎは、照明光の焦点距離に応じて設定されている。

理想特性Ｌｖは、理想特性Ｌｎを実現するための印加電圧特性である。この特性において、印加電圧Ｖは、中心電極４５ａ、４５ｂにより挟まれた部位で略ゼロであり、周縁に向かうに連れて略１次関数状に高まっている。理想特性Ｌｖをこのような特性とするのは、実効複屈折率Δｎが、液晶分子４３ａの主軸が水平に近づくほど高くなり、主軸は印加電圧を下げるほど水平に近づくからである。従って、中心電極４５ａ、４５ｂで挟まれた印加電圧Ｖが略ゼロであって液晶分子４３ａの配向が略水平となる部位では、Δｎが最大となる。そして、外周へ向かうに連れて、印加電圧Ｖは漸進的に高まるので、液晶分子４３ａの主軸の向きは徐々に略垂直に近づき、Δｎは減少する。このようにして理想特性Ｌｖは理想特性Ｌｎを実現する。

印加電圧Ｖ_１〜Ｖ_４は、上記の理想特性Ｌｖに沿った値に設定されており、これにより、Δｎは理想特性Ｌｎに従った値を取る。従って、液晶層４３は、レンズ厚が中心電極４５ａ、４５ｂにより挟まれた部位で最も厚く、階段状ではあるが、周縁に向かうに連れて薄くなる凸レンズとして機能する。

上記のように構成された照明装置１においては、制御電源６に対して並列に接続された複数の液晶レンズ４に制御電源６から制御電圧が印加されるので、液晶レンズ４を駆動するための制御電源６は１台で済み、小型化を図ることができると共に、複数の液晶レンズを一括制御することができる。また、液晶レンズ４を駆動するための制御電圧が液晶レンズ４を直列接続した場合よりも低くなり、従って、制御電源６を定格出力電圧が低い電圧源により構成することができ、製造コストを抑えることができる。

（一参考形態）
図５は、本発明の一参考形態に係る照明装置１の構成を示す。本参考形態の照明装置１は、電圧調整部６２が、各液晶レンズ４の対向電極部４４（４５ａ、４６ａ、４５ｂ、４６ｂ）に対しては直列に接続され、制御電源６に対しては並列に接続された複数の電圧調整素子６３を有している。電圧調整素子６３は、可変インピーダンス素子Ｚ１〜Ｚｎにより構成され、当該素子のインピーダンスを制御することによって各液晶レンズ４に流れる電流量を調整し、これにより、各液晶レンズ４の対向電極部４４に対する制御電圧を個別に調整する。上述の整数ｎは液晶レンズ４と同数である。上述のインピーダンス制御はユーザによる不図示の操作部への操作に基づいて又は自動でマイクロプロセッサ等が行う。

各液晶レンズ４は、上記実施形態とは異なり、共通で分圧抵抗器５１に接続されておらず、個々の液晶レンズ４に分圧抵抗器５１が対応付けられて設けられている。各液晶レンズ４毎に、引出電極４７ａ〜４７ｅと分圧抵抗器５１の接続点を設定することにより、各液晶レンズ４の配光特性の設定変更が可能である。

本参考形態においては、複数の液晶レンズ４に対する制御電圧が個別に調整され、これにより、各液晶レンズ４の配光特性を個別に制御することができるので、照明光の配光制御をより高精度にすることができる。

（上記参考形態の第１の変形例）
図６は、上記参考形態の第１の変形例に係る照明装置１の構成を示す。本変形例の照明装置１においては電圧調整素子６３が双方向スイッチング素子であり、例えばトライアックＴ１〜Ｔｎにより構成できる。制御電源６はこれらトライアックＴ１〜Ｔｎをスイッチング制御する制御回路６４を備える。

次に、各トライアックＴ_１〜Ｔ_ｎのうち、代表してトライアックＴ_１のスイッチング動作による制御電圧の調整動作について説明する。図７（ａ）は、図６における端子ＡＢ間の電圧Ｖ_ＡＢと、トライアックＴ_１のスイッチング動作と、端子ＣＢ間の電圧Ｖ_ＣＢとを示す。電圧Ｖ_ＡＢは制御電源６からの制御電圧であり、電圧Ｖ_ＣＢは対向電極部４４に対する印加電圧である。ここに、電圧Ｖ_ＡＢは交流とし、トライアックＴ_１のスイッチング周波数は電圧Ｖ_ＡＢの周波数よりも高く設定する。

トライアックＴ_１がＯＮである期間、制御回路６と液晶レンズ４とは導通状態となり、液晶レンズ４に対して制御電圧Ｖ_ＡＢが印加され、電圧Ｖ_ＣＢは所定の電圧値となる。トライアックＴ_１がＯＦＦである期間、制御回路６と液晶レンズ４とは電気的に遮断状態となり、液晶レンズ４に対して制御電圧Ｖ_ＡＢは印加されず、電圧Ｖ_ＣＢは略０となる。このようなスイッチング制御により、液晶レンズ４に対する制御電圧は調整される。制御電圧は断続的なものとなるので、各電圧調整素子６３と各液晶レンズ４との間には平滑化回路が配設されていることが望ましい。この場合、上述の導通期間の調整により、平滑化された制御電圧の高さが調整される。

図７（ｂ）に示すように、トライアックＴ_１のＯＮ期間を、図７（ａ）の期間よりも短くすると、制御回路６と液晶レンズ４との導通期間も短くなり、従って、液晶レンズ４がレンズとして機能する期間が短くなる。すなわち、トライアックＴ_１のＯＮ期間を調整することにより液晶レンズ４の配光特性を制御することが可能となる。

本変形例においては、電圧調整素子６３がトライアック等の半導体により構成される双方向スイッチング素子であるので、電圧調整素子６３が例えば抵抗器とその抵抗を機械的に可変とする機構とにより構成される場合と比べ、電圧調整素子６３が小型になり、従って、照明装置１を上記参考形態と比べてより小型化することができる。

（上記参考形態の第２の変形例）
図８は、上記参考形態の第２の変形例に係る照明装置１の構成を示す。本変形例の照明装置１の構成は、上記第１の変形例の構成において、各電圧調整素子６３に、それら素子を保護するためのインピーダンス素子ＲＺ１〜ＲＺｎを直列に接続したものである。インピーダンス素子ＲＺ１〜ＲＺｎはトライアックＴ１〜Ｔｎよりも制御電源６側に配置されていても、又は液晶レンズ４側に配置されていても構わない。インピーダンス素子ＲＺ１〜ＲＺｎは、液晶レンズ４において対向する最外周の帯状電極４６が有するキャパシタ成分と、他の液晶レンズ４のそのようなキャパシタ成分との間に在ればよい。

本変形例においては、任意の液晶レンズ４の対向電極部４４のキャパシタ成分から他の液晶レンズ４４のそれに電荷が移動し、大きな充電電流、いわゆる、ラッシュ電流が流れたとしても、その電流経路に介在するインピーダンス素子ＲＺ_１〜ＲＺ_ｎにより電圧調整素子６３の電流ピーク値を低減することができ、電圧調整部６２の素子へのストレスを低減することができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものでなく、使用目的に応じ、様々な変形が可能である。例えば、各液晶レンズ４が、各発光素子２による照明光をそれぞれ拡散し、又はそれら照明光を所定方向に向けるものであってもよい。

１照明装置
２発光素子
４液晶レンズ
４１透明基板
４３液晶層
４４対向電極部
６制御電源
６２電圧調整部
６３電圧調整素子
ＲＺ_１〜ＲＺ_ｎインピーダンス素子
Ｔ_１〜Ｔ_ｎ双方向スイッチング素子
Ｚ_１〜Ｚ_ｎ可変インピーダンス素子

Claims

発光素子と、前記発光素子から発せられる照明光を配光する液晶レンズと、前記液晶レンズに制御電圧を印加する制御電源と、を備えた照明装置において、
前記制御電源の出力電圧が両端に印加される分圧抵抗器を備え、
前記液晶レンズは、複数、面的に拡がりを持って配置されており、
各液晶レンズは、互いに対向する透明基板と、これら透明基板の間に封入される液晶層と、前記液晶層を挟み、前記制御電圧が印加され、該制御電圧により液晶層内の液晶分子の配向を制御する透明な対向電極部と、を有し、
前記対向電極部は、中心電極及びその中心電極の外周を囲う複数本の帯状電極と、それら中心電極及び帯状電極に対向する電極とにより構成され、前記制御電源に対して電気的に並列に接続されて形成され、
各液晶レンズの中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極は、その他の液晶レンズの中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極とそれぞれ並列に接続され、かつ共通に前記分圧抵抗器に接続され、
前記中心電極、複数本の帯状電極及び中心電極及び帯状電極に対向する電極は、前記分圧抵抗器により所定の電位に設定されており、
前記制御電源は、各液晶レンズの対向電極部に対する制御電圧を制御する電圧調整部を有することを特徴とする照明装置。