JP6330209B1 - Ｌｅｄランプ、およびそれを備える照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハロゲンランプで使用していた光学系を変更することなく、当該ハロゲンランプの代替えとしてＬＥＤランプを使用することができる、舞台照明等の用途に用いられるＬＥＤランプを提供する。【解決手段】ＬＥＤランプ５０を、複数のＬＥＤ５２、および、多角形の断面形状で規定され、ＬＥＤ５２が配置される側面を有する支柱５４で構成する。そして、ＬＥＤランプ５０からの光を反射させる反射面２０を内側に有しており、反射面２０で反射した光を放射する開口２２を有する椀状のリフレクタ１２における開口２２の半径に対する、支柱５４の中心点Ｃから側面までの距離である支柱半径Ｓの寸法比率である支柱径比率Ｄを、３．７３％以上１８．２５％以下とする。【選択図】図１

Description

本発明は、舞台照明等のように、照射面の明るさ、および、照射面における輝度の均一性が求められる用途に適したＬＥＤランプ、およびそれを備える照明装置に関する。

ハロゲンランプに代表される従来の白熱電球に比べて、消費電力が低くかつ長寿命といった長所を有する発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっている。これに伴い、白熱電球の代替としてＬＥＤを使用したいというニーズが急速に高まっている。

例えば、舞台照明に用いられる照明装置も従前からハロゲンランプが使用されてきた（例えば、特許文献１）。ハロゲンランプが使用された舞台照明は、一例として、ハロゲンランプと、当該ハロゲンランプの発光部が位置決めされる焦点を有するリフレクタと、当該リフレクタの前方に配置された「絞り」と、当該絞りの前方に配置されたレンズとで構成されている。

特表平６−５１０８８１号公報

しかしながら、ハロゲンランプを単にＬＥＤランプに替えただけだと、照射面の明るさ照射面における輝度の均一性といった、舞台照明用の照明装置に求められる性能を満たすことができないことから、上述したリフレクタ、絞り、および、レンズといった光学系を当該ＬＥＤランプに合わせたものに変更しなければならなかった。つまり、ＬＥＤランプに代えようとすると、照明装置の全部を交換しなければならず、費用等の面でＬＥＤランプへの代替えが進まないという問題があった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ハロゲンランプで使用していた光学系を変更することなく、当該ハロゲンランプの代替えとしてＬＥＤランプを使用することができる、舞台照明等の用途に用いられるＬＥＤランプ、およびそれを備える照明装置を提供することにある。

本発明の一局面によれば、
複数のＬＥＤ、および、多角形の断面形状で規定され、前記ＬＥＤが配置される側面を有する支柱を備えており、リフレクタおよび前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させるレンズと組み合わせて使用されるＬＥＤランプであって、
前記ＬＥＤランプからの光を反射させる反射面を内側に有しており、前記反射面で反射した光を放射する開口を有する椀状の前記リフレクタにおける前記開口の半径に対する、前記支柱の中心点から前記側面までの距離である支柱半径の寸法比率である支柱径比率が、４．１９％以上１８．２５％以下であり、
以下の式を満たすことを特徴とするＬＥＤランプが提供される。
２６．５４ｅ^0.0174x≦−１．４９８×Ｄ＋３９．５８３
Ｄ：支柱径比率（％）
ｘ：前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させる前記レンズの指向角（°）

好適には、前記ＬＥＤの数は３つ以上である。

以下の式を満たすことが好適である。
Ｄ≦１８．２５×（Ａ／２００）×（Ｂ／７５０）
Ｄ：支柱径比率（％）
Ａ：全ＬＥＤの合計定格電力（Ｗ）
Ｂ：置き換えられる前のハロゲンランプの定格電力（Ｗ）

本発明の更に別の局面によれば、
上記ＬＥＤランプと、
前記ＬＥＤランプからの光を反射させる反射面を内側に有しており、前記反射面で反射した光を放射する開口を有する椀状のリフレクタと、
前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させるレンズとを備える照明装置が提供される。

本発明によれば、ハロゲンランプで使用していた光学系を変更することなく、当該ハロゲンランプの代替えとして使用することができる、舞台照明等の用途に用いられる照明装置に適したＬＥＤランプ、およびそれを備える照明装置を提供できた。

本発明が適用された照明装置１０の一例を示す図である。 本発明が適用されたＬＥＤランプ５０の一例を示す斜視図である。 ＬＥＤ５２の一例を示す斜視図である。 ＬＥＤ５２の一例を示す（図３のＡ−Ａ矢視）断面図である。 支柱半径Ｓを説明するための図である。 支柱径比率Ｄと照射面における輝度ムラとの関係を示すグラフである。 レンズ１６の指向角θ２と照射面における輝度ムラとの関係を示すグラフである。 支柱径比率Ｄと照射面における明るさとの関係を示すグラフである。 ＬＥＤ５２の数と輝度ムラとの関係を示すグラフである。

（照明装置１０の構成）
図１は、本発明が適用された実施例に係る照明装置１０を示す。照明装置１０は、大略、ＬＥＤランプ５０と、リフレクタ１２と、絞り１４と、レンズ１６とで構成されている。

ＬＥＤランプ５０は、照明装置１０の用途に適した波長を含む光を放射する。ＬＥＤランプ５０の詳細については、照明装置１０の構成を説明した後で説明する。

リフレクタ１２は、椀状の反射面２０をその内側表面に有している。この反射面２０は、リフレクタ１２の内側に配置されたＬＥＤランプ５０からの光を反射させる。本実施例では、この反射面２０は回転楕円面で規定されている。また、ＬＥＤランプ５０における支柱５４の中心点Ｃ（後述）が当該回転楕円面の焦点（第１焦点）Ｆ１に一致するように、ＬＥＤランプ５０がリフレクタ１２の内側に配設されている。これにより、ＬＥＤランプ５０を構成する複数のＬＥＤ５２から放射され、反射面２０で反射した後、リフレクタ１２の開口２２から出た光は、概ね、リフレクタ１２の開口２２から所定の距離だけ離間した第２焦点Ｆ２に集まる集光となる。もちろん、反射面２０の形状はこれに限定されるものではなく、回転放物面やその他の回転面、あるいは回転面以外の形状であってもよい。

絞り１４は、リフレクタ１２の開口２２と、当該リフレクタ１２の反射面２０の形状を規定する回転楕円面の第２焦点Ｆ２との間に配置された、光通孔２６を有する板状部材である。上述のように、リフレクタ１２の開口２２から出た光は、この光通孔２６を通って第２焦点Ｆ２に向かうようになっている。光通孔２６の直径は、照明装置１０から放射する光量に応じて拡縮される。光通孔２６の直径が比較的小さい場合、当該光通孔２６を通る光量が少なくなり、開口２２からでた光の多くはこの絞り１４で遮断される。この結果、照明装置１０から放射される光量は少なくなる。逆に、光通孔２６の直径が比較的大きい場合、当該光通孔２６を通る光量が多くなる。この結果、照明装置１０から放射される光量は多くなる。

レンズ１６は、絞り１４の光通孔２６を通過し、反射面２０を規定する回転楕円面の第２焦点Ｆ２を通った後の光を屈折させて、光軸ＣＬに略平行な平行光にするための部材である。本明細書では、レンズ１６で屈折された後の光の開き角θ１の半値角（θ１／２）を「レンズ１６の指向角θ２（°）」という。

ＬＥＤランプ５０は、図２に示すように、大略、複数のＬＥＤ５２と、支柱５４と、軸５６とを備えている。

ＬＥＤ５２は、図示しない電源からの電力を受けることによって所定の波長の光を放射する部材であり、本実施例では、８つのＬＥＤ５２が使用されている。各ＬＥＤ５２は、図３および図４に示すように、それぞれ、短冊板状のベース５８と、ベース５８の表面における幅方向の略中央部において縦横に複数並べて実装されたＬＥＤチップ６０と、ＬＥＤチップ６０を覆うように配置された矩形状の蛍光体６１と、同じくベース５８の表面における一方の端部に設けられた一対の給電端子６２とを備えている。なお、ＬＥＤチップ６０と一対の給電端子６２との間は、図示しない給電回路によって電気的に接続されている。

図２に戻り、支柱５４は、銅等の熱伝導率の高い材料で形成された部材であり、本実施例の場合、正八角柱状に形成されている。また、軸５６も、支柱５４と同様、熱伝導率の高い材料で形成された棒状の部材であり、その一端が支柱５４の底面中央部に接続されている。

また、支柱５４における８つの側面には、それぞれＬＥＤ５２が配設されている。つまり、各ＬＥＤ５２は、支柱５４の中心軸Ｌを中心として、放射状かつ外向きに配設されている。これにより、各ＬＥＤ５２のＬＥＤチップ６０からの光も、支柱５４の中心軸Ｌを中心として放射状かつ外向きに放射される。

本実施例の場合、支柱５４に設けられる側面の数はＬＥＤランプ５０に設けられるＬＥＤ５２の数に一致する。ＬＥＤランプ５０に設けられるＬＥＤ５２の数は３つ以上であれば特に限定されず、ＬＥＤ５２の数が３つであれば支柱５４の形状は正三角柱となり、ＬＥＤ５２の数が５つであれば支柱５４の形状は正五角柱となり、ＬＥＤ５２の数が６つであれば支柱５４の形状は正六角柱となる。つまり、支柱５４は、正多角形の断面形状で規定されている。

もちろん、ＬＥＤ５２の数と支柱５４の断面形状を規定する正多角形の辺の数とを合わせることに限定されるものではなく、例えば、正八角形の断面形状を有する支柱５４を用いて、いずれかの側面に４つのＬＥＤ５２を配置してもよい。また、支柱５４の断面形状は正多角形ではなく、単なる多角形であってもよい。ここでいう「多角形」とは、各側面同士の境界が明確な稜線を構成している場合に限られず、「多角形」の角部分が丸みを帯びていて各側面同士の境界が明確でない場合でも複数の「側面」が形成されていれば「多角形」に含まれる。

さらに、各ＬＥＤ５２は、ＬＥＤチップ６０の中心位置が支柱５４の中心軸Ｌに直交する仮想平面上にあるように配置されている。以下、支柱５４の中心軸Ｌと当該仮想平面との交点をＬＥＤランプ５０（および、支柱５４）の中心点Ｃという。また、図５に示すように、支柱５４における中心点Ｃから各側面までの距離を「支柱半径Ｓ」という。

（舞台照明等の用途に適したＬＥＤランプ５０の検討）
舞台照明等に用いるランプには、被照射物を十分な明るさで、かつ、輝度のムラがないように照らすことが求められる。つまり、そのようなランプには、「照射面の明るさ」および「照射面輝度の均一性」、つまり「照射面における輝度ムラが小さいこと」が求められる。そこで、舞台照明等の用途に適したＬＥＤランプ５０を構成するため、以下の検討を行った。

（輝度ムラについての検討）
検討の前提となる条件は以下の通りである。
（１）リフレクタ１２における開口２２の径（リフレクタ１２の有効直径）は１４０ｍｍとした。つまり、リフレクタ１２の有効半径は、７０ｍｍである。
（２）支柱半径Ｓは、２．５ｍｍから１２．５ｍｍまでを検討した。なお、この支柱半径Ｓの範囲は、リフレクタ１２の有効半径（本実施例では、７０ｍｍ）の３．６％から１７．９％に相当する。
（３）レンズ１６の開き角θ１は２６°とした。
（４）ＬＥＤチップ６０の発光面、すなわち蛍光体６１の寸法は、６ｍｍ×１７ｍｍとした。
（５）ＬＥＤランプ５０の定格電力（各ＬＥＤ５２の定格電力の合計）は、２００Ｗとした。

（支柱半径Ｓと輝度ムラとの関係について）
一般に、支柱半径Ｓが小さくなると、各ＬＥＤ５２の発光面は支柱５４の中心点Ｃ（リフレクタ１２の第１焦点Ｆ１）に近づいていく。発光面がリフレクタ１２の第１焦点Ｆ１に近づくと照射面における発光面の輪郭形状が明瞭になっていくことから、当該照射面における輝度ムラが大きくなる傾向にある。逆に、支柱半径Ｓが大きくなると、各ＬＥＤ５２の発光面はリフレクタ１２の第１焦点Ｆ１から遠ざかる。すると、照射面における発光面の輪郭形状がぼやけて不明瞭になっていき、当該照射面における輝度ムラは小さくなる傾向にある。

そこで、支柱半径Ｓと照射面における輝度ムラとの関係について実験を試みたところ、図６に示すグラフのような結果が得られた。なお、同グラフにおける「支柱径比率Ｄ（％）」とは、リフレクタ１２の有効直径寸法の半分（つまり、リフレクタ１２の有効半径寸法）に対する支柱半径Ｓの寸法の比率（％）をいい、「輝度ムラ（％）」とは、照射面における輝度の最大値に対する、当該最大値と最小値との差の比率（％）をいう。

ハロゲンランプを用いた従来の照明装置における「輝度ムラ（％）」は、約３４％である。したがって、本実施例にかかるＬＥＤランプ５０で従来の照明装置と同等以下の「輝度ムラ（％）」にしようとすると、「支柱径比率Ｄ（％）」は３．７３％以上であることが求められる。

（レンズ１６の指向角θ２との関係について）
レンズ１６の指向角θ２によって上述した輝度ムラの大きさは変化する。そこで、レンズ１６の指向角θ２と輝度ムラの大きさとの関係について実験を試みたところ、図７に示すグラフのような結果が得られた。なお、同グラフにおける「レンズ１６の指向角θ２」とは、上述したように、レンズ１６で屈折された後の光の開き角θ１の半値角（θ１／２）をいう。つまり、本実施例の場合、「レンズ１６の指向角θ２」は、１３°（＝２６°／２）である。

図７に示すグラフによる近似式を考慮すると、輝度ムラ（％）は以下の式で算出できる。
２６．５４ｅ^0.0174x≦−１．４９８×Ｄ＋３９．５８３ （１）
Ｄ：支柱径比率（％）
ｘ：前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させるレンズの指向角（°）

上記近似式（１）に基づき、本実施例にかかるＬＥＤランプ５０で従来の照明装置と同等以上の「輝度ムラ（％）」にしようとすると、「支柱径比率Ｄ（％）」は４．１９％以上であることが求められる。

（照射面の明るさと輝度ムラとの関係についての検討）
次に、照射面における明るさと輝度ムラとの関係について検討した。
検討の前提となる条件は以下の通りである。
（１）基準とするハロゲンランプは、定格電力が７５０Ｗ、相関色温度が３０００Ｋ、演色性はＲａ９０とする。
（２）ＬＥＤランプ５０の定格電力（各ＬＥＤ５２の定格電力の合計）を２００Ｗとし、各ＬＥＤ５２からの光の相対色温度は、上記ハロゲンランプと同等の３０００Ｋ、演色性も同等のＲａ９０とした。

（支柱半径Ｓと明るさとの関係について）
上述のように、支柱半径Ｓが小さくなると、一般に、輝度ムラは大きくなる傾向にあるが、各ＬＥＤ５２の発光面（＝蛍光体６１）がリフレクタ１２の第１焦点Ｆ１に近づくことから、迷光が少なくなることにより、照射面における明るさは明るくなる。そこで、支柱半径Ｓと照射面における明るさとの関係について実験を試みたところ、図８に示すグラフのような結果が得られた。なお、「照射面の明るさ（％）」とは、ハロゲンランプを使用した場合における明るさに対する、ＬＥＤ５２を用いたＬＥＤランプ５０を使用した場合の明るさの比率（％）をいう。

図８に示すグラフによれば、ハロゲンランプを用いた従来の照明装置と同等の明るさ（つまり、「照射面の明るさ（％）」＝１００）にしようとすると、「支柱径比率Ｄ（％）」は１８．２５％以下であることが求められる。

また、一般にＬＥＤの明るさは定格電力に比例するため、ＬＥＤ５２の定格電力をＡ[Ｗ]、ハロゲンランプの定格電力をＢ[Ｗ]とすると、支柱径比率Ｄ（％）は以下の式で表すことができる。
Ｄ＝１８．２５×（Ａ／２００）×（Ｂ／７５０） （２）

（ＬＥＤ５２の数と輝度ムラとの関係についての検討）
次に、ＬＥＤ５２の数（支柱５４における側面の数）と輝度ムラとの関係について検討した。
検討の前提となる条件は以下の通りである。
（１）リフレクタ１２における開口２２の径（リフレクタ１２の有効直径）は１４０ｍｍとした。したがって、リフレクタ１２の有効半径は７０ｍｍである。
（２）支柱半径Ｓは１０ｍｍとした。
（３）レンズ１６の開き角θ１は２６°とした。

ＬＥＤ５２の数（支柱５４における側面の数）と輝度ムラとの関係について実験を試みたところ、図９に示すグラフのような結果が得られた。この結果によれば、ＬＥＤ５２の数を３つ以上にすれば「輝度ムラ（％）」がハロゲンランプを用いた従来の照明装置における約３４％を下回ることがわかる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…照明装置、１２…リフレクタ、１４…絞り、１６…レンズ
２０…反射面、２２…開口、２６…光通孔
５０…ＬＥＤランプ、５２…ＬＥＤ、５４…支柱、５６…軸、５８…ベース、６０…ＬＥＤチップ、６１…蛍光体、６２…給電端子
Ｆ１…（反射面２０の）第１焦点、Ｆ２…（反射面２０の）第２焦点
Ｌ…中心軸、ＣＬ…光軸、Ｃ…中心点
Ｓ…支柱半径、θ１…（レンズ１６の）開き角、θ２…（レンズ１６の）指向角

Claims (4)

1. 複数のＬＥＤ、および、多角形の断面形状で規定され、前記ＬＥＤが配置される側面を有する支柱を備えており、リフレクタおよび前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させるレンズと組み合わせて使用されるＬＥＤランプであって、
   前記ＬＥＤランプからの光を反射させる反射面を内側に有しており、前記反射面で反射した光を放射する開口を有する椀状の前記リフレクタにおける前記開口の半径に対する、前記支柱の中心点から前記側面までの距離である支柱半径の寸法比率である支柱径比率が、４．１９％以上１８．２５％以下であり、
   以下の式を満たすことを特徴とするＬＥＤランプ。
   ２６．５４ｅ^0.0174x≦−１．４９８×Ｄ＋３９．５８３
   Ｄ：支柱径比率（％）
   ｘ：前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させる前記レンズの指向角（°）
2. 前記ＬＥＤの数は３つ以上であることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤランプ。
3. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のＬＥＤランプ。
   Ｄ≦１８．２５×（Ａ／２００）×（Ｂ／７５０）
   Ｄ：支柱径比率（％）
   Ａ：全ＬＥＤの合計定格電力（Ｗ）
   Ｂ：置き換えられる前のハロゲンランプの定格電力（Ｗ）
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のＬＥＤランプと、
   前記ＬＥＤランプからの光を反射させる反射面を内側に有しており、前記反射面で反射した光を放射する開口を有する椀状のリフレクタと、
   前記リフレクタからの光を照射面に向けて屈折させるレンズとを備える照明装置。
   

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