JP6429672B2 - 発光装置及びこれを用いた照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、発光モジュールから出射される光を配光するレンズを備えた発光装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

ＬＥＤなど発光モジュールの前面に、発光モジュールからの光を広角へ配光する光学部材（レンズ）を設けた発光装置が知られている。例えば、床面などの平面を照らす非常灯などの照明器具は、広範囲に法規で定められた照度で照射面を照らすことが求められている。そこで、従来から、出射面の光軸周辺に凹部が形成されており、正面方向から角度が大きいほど光度が大きくなる、いわゆるバッドウィング状の配光特性が可能な光学部材が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載の照明器具は、発光モジュールの前面に略円柱状の光学部材が照明器具内部に配設されている。この光学部材は、発光モジュールの前面に位置する入射面と、入射面と対向する出射面と、入射面と出射面を接続し円柱形状の側方である側面とを有している。発光モジュールから出射する光は、出射面より直接出射する光と、光学部材の内側で側面に反射し出射面より広角方向へ出射される光によりバッドウィング状の配光になるよう制御されている。

特許文献２に記載の発光装置は、発光モジュールの前面に略半球形状な光学部材が配設されている。この光学部材は、発光モジュールから出射する光と基準光軸とがなす角度が大きくなるに従い光学部材からの出射光が基準光軸に対して垂直方向に出射し、広範囲に出射する配光になるよう制御する。

特開２０１４−２６９３３号公報 特開２００６−９２９８３号公報

特許文献１の照明器具は、光学部材が略円柱状に形成されており、側面の高さと出射面の直径は略同等の大きさに形成されている。このため、ＬＥＤにＣＯＢなど大型なものを用いると出射面も大きくする必要があり光学部材全体も大きくなる。そのため、光学部材が内部に配設される照明器具が大型化し、材料、重量及びコストが増加する。

また、特許文献２に記載の発光装置は、発光モジュールから出射する光と基準光軸とがなす角度が大きくなるに従い、発光モジュールから出射する光と基準光軸とがなす角度に対して、発光装置から出射する光と基準光軸とがなす角度の比率が徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている。そのため、レンズ径が光源の発光径と比べて非常に大きくなっており、照明器具本体そのものも大型化され、材料、重量、コストが増加する。

そこで、本発明では上記のような問題点を解決するためになされたものであり、所望の配光特性を得ながら装置の大型化を抑制することができる発光装置及びこれを用いた照明器具を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、光を出射する発光モジュールと、発光モジュールから出射される光が入射される入射面と、入射面に入射した光が出射する出射面とを有し、発光モジュールから出射された光の配光を制御するレンズとを備え、出射面は、光軸から外周へ向かって広がり、光軸に対する発光モジュールから出射された光の出射角度が第１出射角度となり、第１出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第１光度最大出射角度となる配光の第１出射面と、第１出射面の外周に形成され、光軸に対する発光モジュールから出射された光の出射角度が第２出射角度となり、第２出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第２光度最大出射角度となる配光の第２出射面と、第２出射面の外周に形成され、光軸に対する発光モジュールから出射された光の出射角度が第３出射角度となり、第３出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第３光度最大出射角度となる配光の第３出射面とを有し、第３光度最大出射角度は、第１光度最大出射角度より大きく第２光度最大出射角度より小さいものである。

本発明の発光装置によれば、第３光度最大出射角度が第１光度最大出射角度より大きく第２光度最大出射角度より小さいことにより、レンズを大型化することなく所望の配光特性を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置を用いた照明器具を示す斜視図である。 図１に示す照明器具の断面図である。 図１の照明器具の一例を示す分解斜視図である。 図１の発光モジュールにおける光軸からの角度と光度との関係を示すグラフである。 本発明の発光装置の好ましい実施の形態を示す断面図である。 図４の発光装置におけるレンズの一例を示す模式図である。 図５及び図６における発光モジュールから出射される光の出射角度に対する第１出射面、第２出射面及び第３出射面から出射される光の配光特性を示すグラフである。 図５及び図６に示すレンズにおける、発光モジュールから出射される光の角度とレンズ４０から出射される出射角度との関係を示すグラフである。 従来の発光装置の一例を示す断面図である。 本発明の別の実施の形態に係る発光装置の一例を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の発光装置及びこれを用いた照明器具の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を用いた照明器具を示す斜視図、図２は図１に示す照明器具の断面図、図３は図１の照明器具の一例を示す分解斜視図である。図１の照明器具１は、例えば非常用の照明器具を例示したものであり、照明器具１は、本体部１０と、本体部１０に取り付けられた光源である発光装置２０とを備える。

本体部１０は、円筒形の形状を有するものであり、一方が開口した筒部１０Ａと、筒部１０Ａの開口縁部に設けられたフランジ部１０Ｂを有する。筒部１０Ａは、天井など被取付部に形成された埋込穴に挿し込まれ、フランジ部１０Ｂが埋込穴の室内側面と接触した状態で取り付けられる。筒部１０Ａの側壁には係止具１１が設けられており、筒部１０Ａが埋込穴に挿入された際、係止具１１が被取付部に係止することにより、本体部１０が被取付部に固定される。

本体部１０の筒部１０Ａには、非常時に発光装置２０に電力を供給するバッテリー１２が収容されている。バッテリー１２は、通常時は点灯装置（図示なし）を介して電力が供給され充電される。そして、バッテリー１２は、非常時に発光装置２０に充電した電力を供給する。なお、バッテリー１２の充電状態は、点検スイッチ（図示なし）により確認をすることができる。

また、照明器具１は、発光装置２０が固定される取付部材１３と、取付部材１３を本体部１０に取り付ける外枠１４とを備えている。取付部材１３は、例えば放熱性に優れたアルミニウム合金等からなっており、発光装置２０を収容するための凹状の収容部１３ａを有している。収容部１３ａには発光装置２０上からソケット１５が取り付けられるようになっており、発光装置２０は、取付部材１３とソケット１５とに挟まれた状態で取付部材１３に固定される。なお、取付部材１３には、外気に触れる表面積を大きくし放熱性を高めるための複数のフィンが形成されてもよい。

外枠１４は、例えば円形状に形成されており、発光装置２０の前面にレンズ４０からの光を放射するための開口１４ａを有している。外枠１４には、輪形状に形成されたリング部１４ｂが形成されている。リング部１４ｂは、取付部材１３が収容可能な内径を有しているとともに、フランジ部１０Ｂの外周縁と略同径になるような外径を有している。そして、リング部１４ｂがフランジ部１０Ｂの外周を覆うように筒部１０Ａの開口に固定されることにより、本体部１０に発光装置２０が取り付けられる。

発光装置２０は、光を出射する発光モジュール３０と、発光モジュール３０が出射する光の配光を制御するレンズ４０とを備える。発光モジュール３０は、基板３１と、基板３１に実装された発光部３２とを有する。上述したように、基板３１は取付部材１３に取り付けられており、基板３１から取付部材１３へ熱が伝達されるようになっている。発光部３２は、例えばＬＥＤからなる複数の発光素子からなり、ＣＯＢ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｂｏａｒｄ）技術により基板３１の配線パターンに実装されている。このとき、発光部３２は、青色光を出射する発光素子と、発光素子を封止する透光性の波長変換部材とを有し、発光素子から出射した青色光が波長変換部材において波長変換されて白色光が出射されるようにしてもよい。

レンズ４０は、例えば広角配光レンズからなるものであって、発光モジュール３０から照射される光を所望の配光に制御する配光制御部材である。レンズ４０は、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート又はガラス等の透明な材料を用いて形成されており、発光モジュール３０を覆うようにソケット１５の前面側に配置されている。

ここで、発光モジュール３０は、光軸に最も強い光度の光を照射し、光軸からの角度が大きいほど光度が低くなる回転対称な配光特性を有する。光軸ＣＬからの出射角度θに照射する光の光度ＩＬ（θ）は、例えば下記式（１）のように表すことができる。なお、式（１）におけるＩ０は、正面方向（θ＝０）の光度であり、Ｌは発光素子が発する全光束である。

図４は、図１の発光モジュールにおける光軸からの角度と光度との関係を示すグラフである。なお、図４において、横軸は、光軸ＣＬからの出射角度θを示し、左端が光軸ＣＬ（θ＝０°）を示し、右端が光軸ＣＬに直交する方向（θ＝９０度）を示す。また、図４における光度ＩＳ（θ）は所定の照明空間において必要な必要光度である。

図４及び式（１）に示すように、出射角度θが大きくなるにつれて光度ＩＬ（θ）は小さくなっていく。出射角度θが角度θ１より小さい領域では、光度ＩＬ（θ）が必要光度ＩＳ（θ）より大きく、十分な照度が得られている。これに対し、出射角度θが角度θ１〜θ２の間の領域では、光度ＩＬ（θ）が必要光度ＩＳ（θ）より小さく、十分な照度が得られていない。一方、出射角度θが角度θ２より大きい必要光度ＩＳ（θ）がない領域についても光が照射されている。

そこで、レンズ４０は、発光部３２から出射される光のうち、出射角度θがθ２より大きい方向へ出射した光を角度θ１〜θ２の間の方向へ出射して照度不足を補い、必要な照度を得るような配光特性を有している。

図５は本発明の発光装置の好ましい実施の形態を示す断面図、図６は図４の発光装置におけるレンズの一例を示す模式図であり、図１から図６を参照して発光装置２０について説明する。なお、図５及び図６においては、レンズ４０の光軸ＣＬと発光モジュール３０の光軸ＣＬとは一致しており、レンズ４０は光軸ＣＬを中心に回転させた回転体形状である場合について例示する。レンズ４０は、発光モジュール３０が出射する光が入射される入射面４１と、入射面４１から入射した光が出射する出射面４２とを有している。そして、発光モジュール３０からの光は、入射面４１から入射した後にレンズ４０の内部を伝播し、出射面４２から外部（空気中）にスネルの法則にしたがって出射する。

入射面４１は、略擂り鉢状の凹部であり、発光モジュール３０から出射される光のうち、光軸ＣＬから特定の角度の範囲の光が入射されるように形成されている。なお、特定の角度範囲は、発光モジュール３０までの距離もしくは発光モジュール３０の配置構造などにより適時変更することができる。また、入射面４１における凹部の開口側の径寸法は、発光部３２の径寸法より大きく形成されており、レンズ４０が発光モジュール３０から出射される光束の配光を制御するようになっている。

出射面４２は、外方に向かって凸形状に形成されており、光軸ＣＬから外周へ向かって広がる第１出射面４２Ａと、第１出射面４２Ａの外周に形成された第２出射面４２Ｂと、第２出射面の外周に形成された第３出射面４２Ｃとを有している。第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ及び第３出射面４２Ｃは、それぞれの異なる形状式で定義される非球面形状で形成されており、出射する最大強度の光がそれぞれ異なる出射角度になるように形成されている。なお、第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ、第３出射面４２Ｃの各境目は滑らかに接続せず交差している場合について例示している。また、一例として、各出射面の光軸ＣＬに対する傾きに関して、光軸ＣＬと垂直な水平線と各出射面に類似した直線（もしくは任意の点における接線）に形成される角度ＩＡを用いて説明を行う。

第２出射面４２Ｂの傾きＩＡ２は、第１出射面４２Ａの傾きＩＡ１より大きく形成されている。さらに、第３出射面４２Ｃの傾きＩＡ３は、第２出射面４２Ｂの傾きＩＡ２より大きく形成されている。なお、第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ、第３出射面４２Ｃは非球面形状を有しているため、第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ及び第３出射面４２Ｃが面全体として上記関係を有するものではなく、第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ及び第３出射面４２Ｃの各境目における関係について例示したものである。

図７は、図５及び図６における発光モジュール３０から出射される光の出射角度に対する第１出射面、第２出射面及び第３出射面から出射される光の配光特性を示すグラフである。図５〜図７を参照して第１出射面４２Ａ、第２出射面４２Ｂ及び第３出射面４２Ｃの光学特性について説明する。

次に、各出射面における配光特性について説明を行う。なお、各出射面の任意において、光軸ＣＬおよび光軸ＣＬと平行な軸線との出射光との間に形成される角度を出射角度θＬとする。第１出射面４２Ａは、光軸ＣＬに対する発光モジュール３０から出射された光の出射角度が第１出射角度θＬ１となるように配光するものである。第１出射面４２Ａは、例えば発光モジュール３０から出射される光のうち、角度α＝０°（光軸ＣＬ）から角度α１（例えば４８°）の光の配光を制御する。第１出射面４２Ａは、例えば光の出射方向に凸状の非球面形状を有するものである。第１出射面４２Ａは、図７における光度ＩＬ１（θ）で示すように、第１出射角度θＬ１のうち光度が最大になる出射角度が第１光度最大出射角度θＬ１ｍａｘになる配光特性を有する。

第２出射面４２Ｂは、光軸ＣＬに対する発光モジュール３０から出射された光の出射角度が第２出射角度θＬ２となるように配光するものであり、第２出射面４２Ｂは、例えば発光モジュール３０から出射される光のうち角度α＝α１〜α２（例えば４８°〜５９°）の光の配光を制御する。第２出射面４２Ｂは、図７における光度ＩＬ２（θ）で示すように、第２出射角度θＬ２のうち光度が最大になる出射角度が第２光度最大出射角度θＬ２ｍａｘになる配光特性を有する。また、第２出射面４２Ｂは、第２光度最大出射角度θＬ２ｍａｘが第１光度最大出射角度θＬ１ｍａｘより大きい値になるように形成されている。

第３出射面４２Ｃは、光軸ＣＬに対する発光モジュール３０から出射された光の出射角度が第３出射角度θＬ３となるように配光するものである。第３出射面４２Ｃは、例えば発光モジュール３０から出射される光のうち角度α２〜α３（例えば５９°〜６５°）の光の配光を制御する。第３出射面４２Ｃは、図７における光度ＩＬ３（θ）に示すように、第３出射角度θＬ３のうち光度が最大になる出射角度が第３光度最大出射角度θＬ３ｍａｘになる配光特性を有する。

ここで、図７に示すように、第３出射面４２Ｃの最大強度の光の第３光度最大出射角度θＬ３ｍａｘが、第１出射面４２Ａの第１光度最大出射角度θＬ１ｍａｘより大きく、第２出射面４２Ｂの第２光度最大出射角度θＬ２ｍａｘより小さくなっている。言い換えれば、第３出射面４２Ｃから出射される光が第１出射面４２Ａ及び第２出射面４２Ｂから出射される光を補間する。その結果、レンズ４０全体の配光特性は、図７の光度ＩＬ０（θ）のようなバッドウィング型になり、例えば所望の必要光度ＩＳ（θ）（図４参照）を得ることができる。

図８は、図５及び図６に示すレンズにおける、発光モジュールから出射される光の角度とレンズ４０から出射される出射角度との関係を示すグラフである。なお、図８の横軸及び縦軸の出射角度は光軸ＣＬに対する角度を示す。図８に示すように、第１出射面４２Ａにおける最大の出射角度が、第２出射面４２Ｂにおける最大の出射角度及び第３出射面４２Ｃにおける最大の出射角度よりも大きくなっている。なお、図８において、第１出射面４２Ａにおける最大の出射角度は、第１出射面４２Ａと第２出射面４２Ｂとの接続部分に位置しており、第２出射面４２Ｂにおける最大の出射角度は、第２出射面４２Ｂと第３出射面４２Ｃとの接続部分に位置している場合について例示している。

特に、角度α２〜α３の範囲における任意の角度αと第３出射面４２Ｃから出射される光の第３出射角度θＬ３は、（θＬ３／α）＜１の関係を有している。したがって、発光モジュール３０から出射した光は、第３出射面４２Ｃにおいて角度αよりも小さい第３出射角度θＬ３に配光され、光軸ＣＬ側に屈折して出射される。第３出射面４２Ｃから出射される光の第３出射角度θＬ３は、第２出射面４２Ｂから出射される光の第２出射角度θＬ２より小さくなっている。

上記実施の形態によれば、第３光度最大出射角度θＬ３ｍａｘが、第１光度最大出射角度θＬ１ｍａｘより大きく、第２光度最大出射角度θＬ２ｍａｘより小さいことにより、レンズ４０を大きくすることなく、第３出射面４２Ｃから出射される光が第１出射面４２Ａ及び第２出射面４２Ｂから出射される光を補間することができる。このため、発光モジュール３０から入射した光を所定の配光（バッドウィング型）に制御することができる。

図９は従来の発光装置の一例を示す断面図である。図９の従来の発光装置５０において、レンズ６０は光軸周辺が凹状に形成されており、発光モジュール３０から出射する光と基準光軸とがなす角度が大きくなるに従い、発光モジュールから出射する光と基準光軸とがなす角度に対して、発光装置から出射する光と基準光軸とがなす角度の比率が徐々に小さくなる方向に変化させる形状を有する。そのため、レンズ径が光源の発光径と比べて非常に大きくなっている。また、この発光装置５０が照明器具に用いられるとき、出射光をロスしないよう光学部材を覆う外枠の開口は大きくする必要があり、意匠性に影響があるとともに照明器具本体そのものも大型化され、材料、重量、コストが増加する。

一方、図５及び図６の発光装置２０においては、レンズ４０の大型化を防ぎながら所望の配光特性（バッドウィング型）を実現することができる。その結果、出射される光のロスを抑制し化粧枠の開口を小さくすることができ、照明器具１の意匠面への影響を少なくすることができる。

また、図５に示すように、光軸ＣＬに直交する方向に対し、第２出射面４２Ｂの傾きＩＡ２は、第１出射面４２Ａの傾きＩＡ１より大きく形成されており、第３出射面４２Ｃの傾きＩＡ３は、第２出射面４２Ｂの傾きＩＡ２より大きく形成されているとき、レンズ４０の外径を小さくすることができるため、レンズ４０の大型化をさらに抑制することができる。

さらに、図８に示すように、第３出射面４２Ｃから出射される光の第３出射角度θＬ３は、第２出射面４２Ｂから出射される光の第２出射角度θＬ２より小さいとき、レンズ４０を小さくすることができるため、照明器具１の小型化をすることができるとともに、レンズ４０の一部を筒部１０Ａの内側に配設することができる。

また、入射面４１は、出射面４２側に凹んだ凹形状を有し、凹形状の開口幅は、発光モジュール３０の幅より大きく形成されているとき、発光モジュール３０から出射される光のロスを抑制することができる。

本発明の発光装置２０及びこれを用いた照明器具１の実施の形態は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば以下のように種々変形実施可能である。例えば、本実施の形態では、レンズ４０を備えた照明器具１の一例として非常用の照明器具を用いて説明を行っているが、ダウンライトもしくはスポットライトのような発光モジュール３０から照射される光を所望の配光に制御する照明器具１であってもよい。

また、本実施の形態では、第２出射面４２Ｂ及び第３出射面４２Ｃが非球面形状である場合について例示しているが、直線形状（テーパー形状）であっても良いし円弧状であってもよい。

さらに、本実施の形態では、発光モジュール３０の光軸ＣＬとレンズ４０の光軸ＣＬとが一致する場合について例示しているが、互いの光軸が異なるように配置された場合についても適用することができる。図１０は、本発明の別の実施の形態に係る発光装置の一例を示す断面図である。図１０の発光装置１２０における発光モジュール１３０は、基板３１の端部に発光部３２が配置されており、発光モジュール１３０の端部からの光に対しても配光制御を行うようにしてもよい。

１ 照明器具、１０ 本体部、１０Ａ 筒部、１０Ｂ フランジ部、１１ 係止具、１２ バッテリー、１３ 取付部材、１３ａ 収容部、１４ 外枠、１４ａ 開口、１４ｂ リング部、１５ ソケット、２０、５０、１２０ 発光装置、３０、１３０ 発光モジュール、３１ 基板、３２ 発光部、４０、６０ レンズ、４１ 入射面、４２ 出射面、４２Ａ 第１出射面、４２Ｂ 第２出射面、４２Ｃ 第３出射面、ＣＬ 光軸、ＩＬ０（θ）、ＩＬ１（θ）、ＩＬ２（θ）、ＩＬ３（θ）、ＩＬ１０（θ） 光度、ＩＳ（θ） 必要光度、α 角度、θ 出射角度、θＬ１ 第１出射角度、θＬ２ 第２出射角度、θＬ３ 第３出射角度、θＬ１ｍａｘ 第１光度最大出射角度、θＬ２ｍａｘ 第２光度最大出射角度、θＬ３ｍａｘ 第３光度最大出射角度。

Claims (10)

1. 光を出射する発光モジュールと、
   前記発光モジュールから出射される光が入射される入射面と、前記入射面に入射した光が出射する出射面とを有し、前記発光モジュールから出射された光の配光を制御するレンズと
   を備え、
   前記出射面は、
   光軸から外周へ向かって広がり、前記光軸に対する前記発光モジュールから出射された光の出射角度が第１出射角度となり、前記第１出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第１光度最大出射角度となる配光の第１出射面と、
   前記第１出射面の外周に形成され、前記光軸に対する前記発光モジュールから出射された光の出射角度が第２出射角度となり、前記第２出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第２光度最大出射角度となる配光の第２出射面と、
   前記第２出射面の外周に形成され、前記光軸に対する前記発光モジュールから出射された光の出射角度が第３出射角度となり、前記第３出射角度のうち光度が最大になる出射角度が第３光度最大出射角度となる配光の第３出射面と
   を有し、
   前記第３光度最大出射角度は、前記第１光度最大出射角度より大きく前記第２光度最大出射角度より小さいことを特徴とする発光装置。
2. 前記第１出射面は、前記光軸から外周へ向かうにつれて出射角度が大きくなるように形成され、
   前記第１出射面における最大の出射角度が、前記第２出射面における最大の出射角度及び前記第３出射面における最大の出射角度よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第１出射面は、光の出射方向に凸状の非球面形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発光装置。
4. 前記第３出射面から出射される光の出射角度は、前記第２出射面から出射される光の出射角度より小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置。
5. 前記光軸と直交する面に対する前記第２出射面の傾きは、前記第１出射面の傾きより大きく、
   前記光軸と直交する面に対する前記第３出射面の傾きは、前記第２出射面の傾きより大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
6. 前記入射面は、前記出射面側に凹んだ凹形状を有し、
   前記凹形状の開口幅は、前記発光モジュールの幅より大きく形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の発光装置。
7. 前記レンズは、前記第１出射面からの出射光と、前記第２出射面からの出射光と、前記第３出射面からの出射光によりバッドウィング型に配光を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置。
8. 前記レンズは、前記光軸を中心に回転させた回転対称に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の発光装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の発光装置と、
   前記発光装置が固定された取付部材と、
   一方に開口が形成された筒状の部材であって、開口に前記発光装置が固定された前記取付部材が取り付けられる本体部と
   を備えることを特徴とする照明器具。
10. 前記本体部には、非常時に前記発光装置の電力供給源になるバッテリーが収容されていることを特徴とする請求項９に記載の照明器具。

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