JP5023134B2

JP5023134B2 - Ｌｅｄ配光レンズ、そのｌｅｄ配光レンズを備えたｌｅｄ照明モジュール及びそのｌｅｄ照明モジュールを備えた照明器具

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Publication number: JP5023134B2
Application number: JP2009246359A
Authority: JP
Inventors: 哲平下川
Original assignee: Endo Lighting Corp
Current assignee: Endo Lighting Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: US20110096553A1; USD629560S1; JP2011096712A

Description

本発明は、ＬＥＤ配光レンズ、そのＬＥＤ配光レンズを備えたＬＥＤ照明モジュール、及びそのＬＥＤ照明モジュールを備えた照明器具に関する。

近年、消費電力が少なく長寿命な光源としてＬＥＤが用いられた照明器具が広く普及してきている。このような照明器具に用いられるＬＥＤ配光レンズは、ＬＥＤの光を効率よく前方に出射させるため、種々工夫が施されている。
図８は、ＬＥＤを光源とした照明器具に用いられるＬＥＤ配光レンズの一例を示している。
ここに示すＬＥＤ配光レンズ１００は、ハニカム形状のセル３００が複数構成された光出射面２００を備え、セル３００の表面は、凸曲面状に加工形成されており、ここを透過する光が所定方向に出射するよう設計されている。

下記特許文献１には、中央に配置されたＬＥＤからの所定角度範囲内の光を屈折により集束する中央プリズム部と、この中央プリズム部の周囲に凹曲面を形成するように設けられＬＥＤからの所定角度範囲外の光を内部に導き全反射させて集束する外輪プリズム部とを備えたＬＥＤ配光レンズが記載されている。
これによれば、ＬＥＤから放射される中央部の光束はもちろん、側方に放射される光束もすべて集光でき、集光効率の向上を図ることができるとされている。

特開２００２−４３６２９号公報

しかしながら、図８に示す従来のＬＥＤ配光レンズ１００においては、以下のような問題点がある。
図９はその問題点を説明するために示した模式図であり、図９（ａ）は理想的な金型とこれにより形成されたＬＥＤ配光レンズのセルの断面を示した図、図９（ｂ）は実情としての金型とこれにより形成されたＬＥＤ配光レンズのセルの断面を示した図である。

図９（ａ）に示すようにセル３００を形成する金型４００において、断面視したとき凸曲面の形状が正確に削り出されており、セル３００とセル３００の間を形成するエッジ４００ａが鋭角に形成されていれば、セル３００のひとつひとつの凸曲面及びセル３００とセル３００の境界部分を精度よく形成することができる。よってこれによれば、光出射面２００を透過する光を設計どおりの所定方向に出射させることができる。特にセル３００とセル３００との間に入射する光は、屈折現象を利用して最も出射角度が大きくなる場所として設計され（図９（ａ）の光路を示す矢印５００参照）、これによって光の拡散度合いが決定される重要な場所であるので、鋭角なエッジ４００ａを備えた金型４００でセル３００を形成することが必須条件となる。

しかしながら、実際はこのように理想的な鋭角なエッジ４００ａを備えた金型４００で光出射面２００の加工形成されていないのが実情である。なぜなら通常このような金型４００は金型４００の切削加工がなされた後に金型表面の研磨を行うため、このときにエッジ４００ａ部分も研磨されて、図９（ｂ）に示すように鋭角だったエッジ４００ａが平坦になったり、丸まってしまうからである。そしてこれにより形成されるセル３００は、図８の部分拡大図や図９（ｂ）に示されているようにセル３００とセル３００との間に境界部分３００ａが形成され、この境界部分３００ａを透過する光の出射角度は設計よりも狭くなってしまう（図９（ｂ）の光路を示す矢印６００参照）。
そこでこれを解消するため、金型４００の研磨工程を省いて切削加工の精度を上げることがなされているが、この場合は金型作製にコストと時間がかかる。またコストをかけて金型４００を作製したとしても、鋭角に尖ったエッジ４００ａは脆いので金型４００の寿命が短いという問題が残ってしまう。

また上記特許文献１に記載のＬＥＤ配光レンズの光出射面は、単に平坦面からなるものであるため、上述のような問題が生じないが、この場合はＬＥＤから中央及び側方に放射される光を集光しても、光出射面で広角配光するなど出射光のコントロールができず、照射ムラが生じやすいものとなる。

本発明は、上記実情に鑑みなされたものであり、設計どおりの配光を実現できるＬＥＤ配光レンズ、そのＬＥＤ配光レンズを備えたＬＥＤ照明モジュール、及びそのＬＥＤ照明モジュールを備えた照明器具を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ配光レンズは、中央に配置されたＬＥＤの光を前方に出射させ、平面視において円形状からなる光出射面を有したＬＥＤ配光レンズであって、前記光出射面は、前記ＬＥＤを中心として、その周囲を囲むように径方向かつ円周方向に複数の凸曲面が形成されるとともに該凸曲面の境界部が凹曲面を形成するように連続した面で構成され、前記光出射面の円周方向に形成された前記凸曲面と前記凹曲面とは、断面視において略等間隔にその凹凸が互いに反転した形状に形成されており、前記光出射面は、断面視において前記凸曲面の頂部と前記凹曲面の底部の高低差が径方向外側に向かうほど大きくなるように形成されているとともに、前記円周方向外側に向かうほど断面視した場合の前記円周方向の凹凸形状は緩やかになるように形成されていることを特徴とする。
これによれば、光出射面の凸曲面の境界部が凹曲面を形成するように連続した面で構成されているので、例えば複数の凸曲面の境界部に光の出射方向に影響を与える境界部分（図８及び図９の境界部分３００ａ参照）がなくなる。よって、乱反射が生じたり、意図しない拡散が生じることがなくなり、設計どおりの配光が実現でき、光の取り出し効率を向上させることができる。
またこのような意図しない光の拡散などが生じないので、ＬＥＤ配光レンズの設計がしやすいものとすることができる。
さらに光出射面を金型で形成するに際しては、凸曲面の境界部が凹曲面を形成するように連続した面で構成された金型とすればよく、エッジ部分が存在しない金型とすればよいので安価に金型の製作が可能となり、低コストでの製品の製造が可能となる。また金型磨耗による成型品不良も抑制し、金型寿命を延ばすことができる。

また本発明において、前記光出射面の円周方向に形成された前記凸曲面と前記凹曲面とは、断面視において略等間隔にその凹凸形状が互いに反転した形状に形成されている。
このように光出射面の円周方向に形成された凹凸の凹と凸の形状が互いに反転した形状に形成されているので、同じ傾斜角度からなる光出射面から出射する光の照射角を等しくすることができ、光出射面全体として照射ムラを抑制することができる。

また本発明における前記光出射面の径方向に形成された前記凸曲面と前記凹曲面とは、断面視において前記凸曲面の頂部と前記凹曲面の底部の高低差が径方向外側に向かうほど大きくなるように形成されている。
よって、光出射面から出射される光をコントロールして照射ムラのない広角配光を実現することができる。すなわち、凸曲面の頂部と前記凹曲面の底部の高低差が径方向外側に向かうほど大きくなるように形成されているので、径方向外側に向かうほど、光の屈折（拡がり）を大きくすることができる。
さらに、前記円周方向外側に向かうほど断面視した場合の前記円周方向の凹凸形状は緩やかになるように形成されている。よって、円周方向外側に向かうほど光の屈折が小さくすることができる。
したがって、このように凸曲面及び凹曲面を形成する凹凸形状によって、光の屈折を大きく出射させたり、小さく出射させたりすることにより、光出射面全体でみたときには光出射面を透過する光の拡がりが概ね同じように拡がり、照射ムラのないものとすることができる。

本発明のＬＥＤ照明モジュールは、ＬＥＤと、前記ＬＥＤを実装する基板と、
上述のＬＥＤ配光レンズが複数配列されたモジュール本体とを備えたものとすることができる。また本発明の照明器具は、先述のＬＥＤ照明モジュールを備えたものとすることができる。

本発明によれば、設計どおりの配光を実現でき、乱反射や意図しない拡散がなくなり、光の取り出し効率を向上させることができる。またＬＥＤ配光レンズの光出射面を形成する金型コストを低減することができるので、製品としたときのコストダウンを図ることができる。

本発明のＬＥＤ配光レンズの一実施形態を示す全体斜視図である。同ＬＥＤ配光レンズの３Ｄ画像を示す全体斜視図である。図１に示すＸ−Ｘ線矢視断面図である。（ａ）は図１に示すＹ−Ｙ線矢視断面図、（ｂ）は図３に示す光出射面部分の拡大図である。（ａ）及び（ｂ）は同ＬＥＤ配光レンズの光出射面の形状を説明するための部分拡大図である。図１に示すＬＥＤ配光レンズを備えたＬＥＤ照明モジュールの一例であり、（ａ）は光出射面を表側からみた斜視図、（ｂ）は光出射面を裏側からみた斜視図である。図６に示すＬＥＤ照明モジュールを備えた照明器具の一例であり、天井に取り付けられた例を示す斜視図である。従来のＬＥＤ配光レンズの一例を示す全体斜視図である。従来のＬＥＤ配光レンズの問題点を説明するための模式図であり、（ａ）は理想的な金型とこれにより形成されたＬＥＤ配光レンズのセルの断面を示した図、（ｂ）は実情としての金型とこれにより形成されたＬＥＤ配光レンズのセルの断面を示した図である。

以下に本発明における実施の形態の一例について、図１〜図８に基づいて説明する。
なお、図１、図５では後記する光出射面２上にライン３ａ、３ｂ等の「線」が示されているが、これは実際の光出射面２に形成されているものではなく、光出射面２の形状（凹凸曲面）を表現するため、また説明するために示したものである。また図２は３Ｄ画像で本発明のＬＥＤ配光レンズを表現したものである。
図１及び図２に示すようにＬＥＤ配光レンズ１は、透明のアクリル樹脂材などからなり、円錐形状の円形部分を上面にしたようなすり鉢形状に形成されている。
ＬＥＤ配光レンズ１の上面には、平面視において円形状からなりＬＥＤ６の光を前方に出射させる光出射面２が形成されている。光出射面２は、図１及び図２に示すように中央に配置された光源となるＬＥＤ６を中心として、その周囲を囲むように径方向及び円周方向に複数の凸曲面が形成されるとともに該凸曲面の境界部が緩やかな凹曲面を形成するように連続した面で構成されている。すなわち、例えば２次元的に光出射面２の径方向だけが凹凸形状となっているのではなく、３次元的に径方向及び円周方向に凹凸形状が継ぎ目なく連続して形成されている。
径方向及び円周方向に凹凸形状が連続している状態を平面図で示すのは難しいため、図１、図５では径方向に形成されたひとつの凹或いは凸を１単位、円周方向に形成されたひとつの凹とこれに連なって形成された凸とを１単位として区画し、径方向及び円周方向にライン３ａ、３ｂを付しているが、実際は図２の３Ｄ画像で示すように光出射面２には溝など段差を構成するものがまったくない凹凸形状が連続した面をなしている。

図３に示すようにＬＥＤ配光レンズ１の底部の中央部分には、ＬＥＤ６（発光ダイオード）が配置され、ＬＥＤ６はオンオフを制御する制御部（不図示）を備えた基板７に実装されている。この中央に配置されたＬＥＤ６が発する光がＬＥＤ６の直上に配置された凸レンズ１ｂ或いは臨界反射面１ａに効率よく放射されるようＬＥＤ凹所５が形成されている。
光出射面２の中央には中央凹所４が形成されており、凸レンズ１ｂはＬＥＤ凹所５と中央凹所４の間に設けられている。凸レンズ１ｂの表面は、ここを透過する光が照射ムラが生じることなく出射されるように凸曲面状に形成されている。
すり鉢状の傾斜面は、ＬＥＤ６の光を光出射面２に向けて反射する臨界反射面１ａとなっており、この傾斜角度はＬＥＤ６から発せられた光を反射させて光出射面２から出射可能な角度に設計されている。
ＬＥＤ配光レンズ１のサイズは特に限定されるものではないが、例えば光出射面２の直径が１６．３ｍｍ〜１７．２ｍｍである場合は、基板７の上面からＬＥＤ配光レンズ１の上面が１２．６ｍｍ〜１３．６ｍｍとし、ＬＥＤ凹所５及び中央凹所の開口端の直径が４．７ｍｍ〜５．７ｍｍに形成するものとしてもよい。

図３では臨界反射面１ａを介して光出射面２から出射される光の光路を１点鎖線で、凸レンズ１ｂを介して出射される光の光路を２点鎖線で示している。
ＬＥＤ６の側方から放射される光は１点鎖線で示すように臨界反射面１ａに当たって光出射面２に出射される。光出射面２をＬＥＤ６の光が透過する際には、１点鎖線で示すように光出射面２のどこから出射するかで光の屈折度合い（拡がり度合い）を異ならせ、照射ムラのない広角配光を実現させている。詳しくは後述する。
凸レンズ１ｂを透過するＬＥＤ６の光は、光出射面２を介することなく、前方に出射され、図３の２点鎖線に示すように凸曲面の外側ほど屈折現象を利用して出射角度が大きく屈折するよう設計されている。また凸曲面の内側を透過する光ほど、出射角度が小さくなるように設計されている。

図４（ａ）は図１に示すＹ−Ｙ線矢視断面図であり、ここでは説明のため部分的に光出射面２を拡大して示している。
光出射面２の円周方向に形成された凸曲面と凹曲面とは、断面視において略等間隔のピッチで凹凸形状が繰り返され、かつその凹凸形状が互いに反転した形状に形成されている。
このように形成することで、断面視において円周方向に連続して形成される凸曲面及び凹曲面から出射する光の照射角を等しくすることができる（図４（ａ）の１点鎖線参照）。すなわち、同じ傾斜角度の凸曲面及び凹曲面が複数形成されることになるので、例えば図４（ａ）の紙面向かって左端の光路２１、中央の光路２２及び右端の光路２３は同じ角度の傾斜面から光が出射されることになり、これらの照射角はいずれも等しい。そしてこのような面が連続して形成されるので、同じ角度傾斜の光出射面２から出射する光の照射角がおのずと等しくなるのである。

図４（ｂ）は図３の部分拡大図である。
図中２ａは凸曲面の凸の高さが一番高い頂部、２ｂは凹曲面の高さが一番低い底部を示している。
光出射面２の径方向に形成された凸曲面と凹曲面とは、略等間隔のピッチで凹凸形状が繰り返され、凸曲面の頂部２ａと凹曲面の底部２ｂの高低差が径方向外側に向かうほど大きくなるように形成されている。
図４（ｂ）では径方向において一番外側の凸曲面の頂部２ａと同じく径方向において一番外側の凹曲面の底部２ｂとの高低差を２ｃで示す一方、径方向において一番内側の凸曲面の頂部２ａと同じく径方向において一番内側の凹曲面の底部２ｂとの高低差を２ｄで示しており、２ｃと２ｄの関係は２ｃ＞２ｄとなる。
このように光出射面２が形成されているので、径方向外側にいくほど高低差のある傾斜面から出射される光の屈折が大きい光を出射させることができ、径方向内側にいくほど光の屈折が小さい光を出射させることができる。

次に図５を参照しながら、光出射面２の形状について更に詳しく説明する。
図５（ａ）及び（ｂ）では、上述したように径方向に形成されたひとつの凹或いは凸を径方向の１単位、円周方向に形成されたひとつの凹とこれに連なって形成された凸とを円周方向の１単位として区画し、径方向及び円周方向にライン３ａ、３ｂをいれ、これらライン３ａ、３ｂで区画された面を単位出射面３として説明する。図中３ｂｂは最外径の凹凸ラインを示している。また凸曲面の頂部或いは凹曲面の底部を示すために点線を付しており、さらに図５（ａ）において凸曲面の最も高い頂部には▲、凹曲面の最も低い底部には●を付している。

光出射面２の凹凸形状は、まず断面視において径方向における凹凸形状を任意の角度で光が屈折するように計算して設計しその凹凸形状を決める。例えば図５（ａ）中に示すライン３ａのうち、太線で示したライン３ａの断面形状を決める。
また円周方向における凹凸ライン３ｂｂを任意の角度で光が屈折するように計算して設計しその凹凸形状も決める。
そして断面視において径方向に決まった凹凸形状を形成しつつ平面視において円形状の光出射面２の中心を軸に、円周方向に決まった凹凸形状を上下に凹凸のうねりを形成しながら掃引して凹凸面を形成する。

図５（ｂ）は図５（ａ）に示す光出射面２の一部を拡大した図であり、ここでは説明のために径方向断面を「ａ」、円周方向断面を「ｂ」とし、座標のようにこれら断面が凹曲面に形成されている場合は「凹」、凸曲面に形成されている場合は「凸」と表している。
上述のように形成された光出射面２を単位出射面３毎にみると、例えば図５（ｂ）において径方向内側（紙面手前側）に形成された単位出射面３は、断面視した場合の円周方向には凹曲面と凸曲面（すなわち「ｂ」が凹と凸）とが形成され、断面視した場合の径方向には凹曲面（すなわち「ａ」が凹）が形成されたものとなる。
また例えば図５（ｂ）の径方向外側（紙面奥側）に形成された単位出射面３は、断面視した場合の円周方向にはさきの径方向内側に形成された単位出射面３の凹凸とは逆に凸曲面と凹曲面（すなわち「ｂ」が凸と凹）とが形成され、断面視した場合の径方向には凸曲面（すなわち「ａ」が凸）が形成されたものとなる。

そしてこのように形成された光出射面２から出射する光の光路を単位出射面３毎にみると、以下のようになる。
図５（ａ）に示す１点鎖線は光出射面２から出射する光の光路を示しており、この光路はライン３ｂの位置を断面視した場合に出射する光の光路を示している。
円周方向外側に向かうほど断面視した場合の円周方向の凹凸形状は緩やかになるため、自ずと円周方向外側に向かうほど光路の出射角が小さくなり、光の屈折（拡がり）も小さくなる。
一方、図５（ａ）には径方向のライン３ａの位置を断面視した場合に出射する光の光路は示していないが、図４（ｂ）と同じ光路を示すこととなる。
よって、上述したようにライン３ａの位置を断面視した場合に出射する光は、径方向外側にいくほど高低差のある傾斜面から光が出射されるので、光の屈折が大きくなり、径方向内側にいくほど光の屈折が小さい光を出射させることができる。

このように凸曲面及び凹曲面を形成する凹凸形状によって、光の屈折を大きく出射させたり、小さく出射させたりすることにより、光出射面２全体でみたときには光出射面２を透過する光の拡がりが概ね同じように拡がり、照射ムラのないものとすることができる。
また従来のもののように金型による加工時によって形成されてしまう境界部分（図８及び図９の境界部分３００ａ参照）が形成されることがないので、配光設計がしやすく光のコントロールによる損失を最小限に設計することができる。すなわち、上述のような境界部分が光出射面２に存在しないので、境界部分が存在することによる乱反射や意図しない拡散が生じることがなくなり、設計どおりの配光が実現でき、光の取り出し効率を向上させることができる。
さらに光出射面２を金型で形成するに際しては、凸曲面の境界部が緩やかな凹曲面を形成するように連続した面で構成された金型とすればよく、エッジ部分が存在しない金型とすればよいので安価に金型の製作が可能となり、低コストでの製品の製造が可能となる。また金型磨耗による成型品不良も抑制し、金型寿命を延ばすことができる。
なお、光出射面２により一層照射ムラをなくすため、シボ加工（表面粗し加工）を施したものとしてもよい。

図６の（ａ）及び（ｂ）には、上述のＬＥＤ配光レンズを備えたＬＥＤ照明モジュールの一例を示している。なお、図６（ｂ）ではＬＥＤ６及び基板７の図示を説明のため省略して示している。
ＬＥＤ照明モジュール１０は、円盤状のモジュール本体１０ａと、複数のＬＥＤ配光レンズ１と、ＬＥＤ６と、基板７とを備えている。
モジュール本体１０ａには、ＬＥＤ配光レンズ１が組み付けられる凹所が複数形成されており、図例のものはモジュール本体１０ａの中央部分にＬＥＤ配光レンズ１が３個、さらにこれらを囲むようにＬＥＤ配光レンズ１が９個組み込まれるようになっている。

図６（ｂ）に示すようにモジュール本体１０ａの裏側はすり鉢状の臨界反射面１ａとＬＥＤ凹所５が複数見える状態になっており、このＬＥＤ凹所５が形成されているところにＬＥＤ６が配置される。
なお、ＬＥＤ照明モジュール１０の構成はこれに限定されるものではなく、ＬＥＤ配光レンズ１の数や配列構造もこれに限定されるものではない。例えば中央に１個のＬＥＤ配光レンズ１を配しまわりに６個のＬＥＤ配光レンズ１を配置するようにしてもよい。

図７は図６に示したＬＥＤ照明モジュール１０を備えた照明器具１１の一例である。このように上述したＬＥＤ配光レンズ１をＬＥＤ照明モジュール１０とし、照明器具１１に組み込めば照明器具の光源として使用できる。
図例のものはスポットライトとして天井２０に固定して使用される照明器具１１であり、本体部１２と、ＬＥＤ照明モジュール１０の側方を覆うフード１３と、電源ケース１４と、本体部１２を支持するアーム１５などを備えており、アーム１５に支持された状態で照射角度を変えられるようになっている（白抜矢印参照）。
これによれば、照射ムラのない設計どおりの配光が実現できる照明器具１１とすることができ、ＬＥＤ６の特性を活かし消費電力が少なく長寿命な照明器具１１を構成することができる。
なお、照明器具１１の構成もこのようなスポットライトに限定されるものではなく、ダウンライトやシーリングライトの光源としても適用可能である。

１ＬＥＤ配光レンズ
２光出射面
６ＬＥＤ
７基板
１０ＬＥＤ照明モジュール
１１照明器具

Claims

中央に配置されたＬＥＤの光を前方に出射させ、平面視において円形状からなる光出射面を有したＬＥＤ配光レンズであって、
前記光出射面は、前記ＬＥＤを中心として、その周囲を囲むように径方向及び円周方向に複数の凸曲面が形成されるとともに該凸曲面の境界部が凹曲面を形成するように連続した面で構成され、
前記光出射面の円周方向に形成された前記凸曲面と前記凹曲面とは、断面視において略等間隔にその凹凸が互いに反転した形状に形成されており、
前記光出射面は、断面視において前記凸曲面の頂部と前記凹曲面の底部の高低差が径方向外側に向かうほど大きくなるように形成されているとともに、前記円周方向外側に向かうほど断面視した場合の前記円周方向の凹凸形状は緩やかになるように形成されていることを特徴とするＬＥＤ配光レンズ。
前記ＬＥＤと、
前記ＬＥＤを実装する基板と、
請求項１に記載のＬＥＤ配光レンズが複数配列されたモジュール本体とを備えたことを特徴とするＬＥＤ照明モジュール。
請求項１に記載のＬＥＤ照明モジュールを備えたことを特徴とする照明器具。