(57)【要約】【課題】複数種類の波長の光を放射する発光ダイオードからの光を、光量を大幅に低下させることなく所望の拡散混合度合いで放射させることのできる発光ダイオードランプを提供する。【解決手段】発光ダイオードランプ１０を、所定の波長の光を放射する発光ダイオード素子４２および当該波長とは異なる波長の光を放射する別の発光ダイオード素子４２を含む発光ダイオード３４と、発光ダイオード３４からの光を屈折させるメニスカスレンズ３６と、光入射面３８ａと光入射面３８ａに対向する光放出面３８ｂを有しており光入射面３８ａに入った発光ダイオード３４からの光を拡散混合させて光放出面３８ｂから放射する、メニスカスレンズ３６の入光面３６ａ側の近傍に配置された平面ディフューザ３８とで構成することにより、上記課題を解決できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の光を放射する発光ダイオード素子および前記波長とは異なる波長の光を放射する別の発光ダイオード素子を含む発光ダイオードと、
前記発光ダイオードからの光を屈折させるメニスカスレンズと、
光入射面と前記光入射面に対向する光放出面を有しており前記光入射面に入った前記発光ダイオードからの光を拡散混合させて前記光放出面から放出する、前記メニスカスレンズの入光面側の近傍に配置された平面ディフューザとを備える発光ダイオードランプ。
【請求項２】
開口および焦点を有する回転面で規定された反射面が内側に形成された反射鏡をさらに備えており、
前記反射鏡の内側に収容された前記発光ダイオードからの光は前記平面ディフューザおよび前記メニスカスレンズを通った後、前記反射面で反射して前記開口から出ることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードランプ。
【請求項３】
前記メニスカスレンズは、前記平面ディフューザが存在しないと仮定した場合において、前記発光ダイオードの背後における前記反射面の前記焦点の位置に前記発光ダイオードの虚像を形成することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の発光ダイオード素子で構成された発光ダイオードと、当該発光ダイオードから放出された光を屈折させるメニスカスレンズとを備える発光ダイオードランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の白熱灯（例えば、ハロゲンランプ）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。
【０００３】
その使用範囲のひとつとして、発光色が互いに異なる複数の発光ダイオード素子をひとまとめにして発光ダイオードを構成することで、当該発光ダイオードとして所望の色の光を放出できるようにする技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
特許文献１に記載された発光ダイオードランプでは、赤、青、緑の３原色光を放射する発光ダイオード素子をまとめて発光ダイオードが構成されており、さらにこれら３原色光を混ぜ合わせて白色光とするために、拡散材を含有させた透明な半球状の封止用樹脂で当該発光ダイオードを封止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３７２８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、発光ダイオードからの光を所望の集光度合いで所望の距離まで届けようとする場合は、反射鏡（リフレクター）を用いて、発光ダイオードからの光を反射鏡の反射面で反射させることになる。とりわけ、発光ダイオードからの光を遠くまで届けようとする場合は、反射面が回転放物面（パラボラ）で形成された反射鏡を使用することになる。回転放物面は焦点を１つ有しており、この焦点から放射された後、回転放物面で反射した光は、互いに平行な平行光となって反射鏡から出る。
【０００７】
このように反射鏡を使用する場合はもちろんのこと、反射鏡を使用しない場合であっても、発光ダイオードからの光を所望の集光度合いにして対象物を照らすために、発光ダイオードと対象物との間（反射鏡を使用する場合は、発光ダイオードと反射面との間）にレンズを配置し、当該レンズで発光ダイオードからの光を屈折させることが一般的に行われている。
【０００８】
しかしながら、このようにレンズと組み合わせる場合、特許文献１に記載された発光ダイオードランプには問題があった。すなわち、図１０に示すように、特許文献１に記載された発光ダイオードランプでは、３原色光を混ぜて白色光とするために拡散材１００を含有させた透明な半球状の封止用樹脂１０１で当該発光ダイオード１０２を封止している。このため、各発光ダイオード素子１０４からの光Ｌは封止用樹脂１０１中の拡散材１００によって様々な方向に拡散してしまい（迷光）、レンズ１１０の受光面１１２を照らす光量は当該封止用樹脂１０１を使用しない場合と比較して大幅に低下してしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、複数種類の波長の光を放射する発光ダイオードからの光が迷光となるのを抑えて、光量を大幅に低下させることなく所望の拡散混合度合いで放射させることのできる発光ダイオードランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）
本発明の一局面によれば、
所定の波長の光を放射する発光ダイオード素子および前記波長とは異なる波長の光を放射する別の発光ダイオード素子を含む発光ダイオードと、
前記発光ダイオードからの光を屈折させるメニスカスレンズと、
光入射面と前記光入射面に対向する光放出面を有しており前記光入射面に入った前記発光ダイオードからの光を拡散混合させて前記光放出面から放出する、前記メニスカスレンズの入光面側の近傍に配置された平面ディフューザとを備える発光ダイオードランプが提供される。
【００１１】
（２）
好適には、開口および焦点を有する回転面で規定された反射面が内側に形成された反射鏡をさらに備えており、前記反射鏡の内側に収容された前記発光ダイオードからの光は前記平面ディフューザおよび前記メニスカスレンズを通った後、前記反射面で反射して前記開口から出る。
【００１２】
（３）
好適には、前記メニスカスレンズは、前記平面ディフューザが存在しないと仮定した場合において、前記発光ダイオードの背後における前記反射面の前記焦点の位置に前記発光ダイオードの虚像を形成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、平面ディフューザがメニスカスレンズの入光面側の近傍に配置されており、複数の発光ダイオード素子から放射された波長の異なる光を混ぜ合わせるために拡散材を含有させた封止用樹脂で発光ダイオードを封止する必要がない。これにより、発光ダイオードから放射された光を拡散させてその一部を迷光にすることなく、当該光で平面ディフューザの光入射面を直接照らすことができる。加えて、光入射面から平面ディフューザに入った光は拡散混合されて光放出面から外部に出るが、光放出面の近傍にメニスカスレンズの入光面が存在していることから、光放出面から出たほぼ全ての光が入光面からメニスカスレンズに入ることになる。つまり、発光ダイオードから放射された光を迷光にすることなく拡散混合しつつ当該光の大部分をメニスカスレンズに入れることができる。
【００１４】
このように、本発明によれば、互いに異なる波長の光を所定の拡散度合いで混合することによって所望の光を得つつ、従来の発光ダイオードランプのようにレンズに入る光量が大幅に低下して迷光が増加することで対象物を照らす光量が大幅に低下するのを回避できる発光ダイオードランプを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用された発光ダイオードランプ１０の第1実施例を示す断面図である。
【図２】本発明が適用された発光ダイオードランプ１０の第1実施例を示す正面図である。
【図３】本発明が適用された発光ダイオード光源１４の第1実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明が適用された発光ダイオード光源１４の第1実施例を示す断面図である。
【図５】発光ダイオード３４の一例を示す図である。
【図６】発光体３０の一例を示す図である。
【図７】平面ディフューザ３８を外した状態の発光ダイオード光源１４を示す断面図である。
【図８】本発明が適用された発光ダイオードランプ１０の発光ダイオード素子４２から出た光Ｌの光路を示す図である。
【図９】本発明が適用された発光ダイオードランプ１０の第２実施例を示す断面図である。
【図１０】従来技術における発光ダイオードランプの発光ダイオード素子１０４から出た光Ｌの光路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明が適用された発光ダイオードランプ１０の実施例（第１実施例）について説明する。この発光ダイオードランプ１０は、図１および図２に示すように、大略、椀状の反射鏡１２と、発光ダイオード光源１４とで構成されている。
【００１７】
反射鏡１２は、その内側に形成された反射面２０と、反射面２０で反射した光を放出する開口２２と、当該開口２２に対向する位置で反射面２０の底部中央に設けられた略円筒状の中央取付筒部２４とを有している。また、反射鏡１２の中心を通り開口２２に直交する直線を、反射鏡１２（および反射面２０）の中心軸Ｃとする。
【００１８】
反射鏡１２の材質としては、ガラスあるいはアルミニウム等が使用され、アルミニウムの場合は反射面２０に金属蒸着がなされ、ガラスの場合は金属蒸着の他、多層膜の反射面２０が椀状部分の内表面（つまり、反射面２０が形成される面）に形成される。とりわけ、発光ダイオードランプ１０では、発光ダイオード光源１４を構成する発光ダイオード３４（後述）からの熱が支柱３２（後述）によって効率的に放散されることから、ガラスやアルミニウム等に比べて熱に弱い樹脂等も反射鏡１２の材料として使用することができる。なお、本実施例では、反射鏡１２の開口２２を覆うポリカーボネート製の前面カバー２６が取り付けられているが、当該前面カバー２６は発光ダイオードランプ１０の必須構成要素ではない。また、透明材料であれば、前面カバー２６の材料としてガラス等他の材料を用いることができる。
【００１９】
反射面２０は、上述した中心軸Ｃを中心とする回転面で規定されており、反射鏡１２の内側における当該中心軸Ｃ上に焦点Ｆが設定されている。この焦点Ｆの位置は反射鏡１２の内側に収容する発光ダイオード３４の大きさや個数等の要素に基づいて最適な位置に設定されている。例えば、発光ダイオード３４が大きく、あるいは発光ダイオード３４の個数が多い場合には、焦点Ｆの位置は反射面２０の底部からやや距離をおいて設定され、逆に、発光ダイオード３４が小さく、あるいは発光ダイオード３４の個数が少ない場合には、焦点Ｆの位置は反射面２０の底部寄りに設定されることになる。なお、反射面２０を規定する回転面が回転楕円面や回転放物面である場合、これらを規定する楕円や放物線の焦点が反射面２０の焦点Ｆとなる。
【００２０】
図１および図２に加えて図３を参照し、発光ダイオード光源１４は、４つの発光体３０と、これらを所定の位置で保持する支柱３２とで構成されている。なお、発光体３０の数は４つに限られるものではなく、後述する第２実施例のように発光体３０を１つだけ用いてもよく、複数の発光体３０を用いてもよい。
【００２１】
発光体３０は、図４に示すように、発光ダイオード３４と、メニスカスレンズ３６と、平面ディフューザ３８と、レンズ保持部材４０とで構成されている。本実施例で使用されている４つの発光体３０は、反射面２０の底部から中心軸Ｃに沿って延びる略四角柱状の支柱３２の先端部において、それぞれ反射面２０の焦点Ｆを中心として周方向に均等間隔で放射状に配設されている。
【００２２】
発光ダイオード３４は、図５に示すように、複数の発光ダイオード素子４２で構成されている。なお、本実施例では、９つの発光ダイオード素子４２を碁盤目状に並べて１つの発光ダイオード３４が構成されている。発光ダイオード３４を構成する発光ダイオード素子４２の数はこれに限定されるものではなく、２つ以上の発光ダイオード素子４２で１つの発光ダイオード３４が構成されればよい。
【００２３】
発光ダイオード素子４２は、所定の電流を流すことにより、例えば１２０°の光放射角（光放射角θはもちろんこれに限られない。）で特定波長の光を放射する電子部品である。本実施例において、１つの発光ダイオード３４を構成する複数の発光ダイオード素子４２から放射される光の波長は少なくとも２種類あるようになっている。例えば、本実施例の発光ダイオード３４では９つの発光ダイオード素子４２が使用されているが、これら９つの発光ダイオード素子４２はいずれか３つ１組となっている。つまり、本実施例の発光ダイオード３４は、３組の発光ダイオード素子４２で構成されている。同じ組に属する発光ダイオード素子４２からはそれぞれ同じ波長の光が放出されるようになっており、また、互いに異なる組に属する発光ダイオード素子４２からの光の波長はそれぞれ互いに異なるようになっている。もちろん、これに限定されることはなく、いずれか７つの発光ダイオード素子４２から同じ波長の光が放出され、残りの２つの発光ダイオード素子４２からはこれとは異なる波長の光が放出されるようにしてもよい。さらに言えば、９つの発光ダイオード素子４２からそれぞれ互いに異なる９種類の波長の光が放出できるようにしてもよい。
【００２４】
また、各発光ダイオード素子４２から放射される光の波長については、紫外光、可視光、あるいは赤外光等、どのような波長の光を組み合わせてもよい。例えば、赤、青、緑といった３種類の可視光を組み合わせることもできるし、互いに波長の異なる複数種類の赤外光を組み合わせることもできる。
【００２５】
図１および図４に加えて図６を参照し、メニスカスレンズ３６は、発光ダイオード３４と反射面２０との間において、発光ダイオード３４に対向離間して配設されたポリカーボネート製の凸メニスカスレンズ（略短冊形状の断面を有しており、一方の面が凸面、他方の面が凹面となっているレンズ）であり、発光ダイオード３４から放射された光を反射面２０に向けて屈折させるとともに、発光ダイオード３４の背後に同発光ダイオード３４の虚像Ｉを形成する光学部品である。もちろん、メニスカスレンズ３６の材質はポリカーボネートに限定されることはなく、ガラス等の材料を使用することができる。
【００２６】
なお、凸メニスカスレンズの他に、平凸レンズや両凸レンズを使用することもできるが、メニスカスレンズ３６の左右端部に入光する発光ダイオード３４からの光がメニスカスレンズ３６の入射面で反射して迷光となりやすいという点から、凸メニスカスレンズを用いるのが好適である。
【００２７】
平面ディフューザ３８は、光入射面３８ａと光放出面３８ｂとを有する平板状の部材であり、光入射面３８ａに入った光は、拡散・散乱されて光放出面３８ｂから放出されるようになっている。また、平面ディフューザ３８は、メニスカスレンズ３６の入光面３６ａ側の近傍に配置されている。なお、「入光面３６ａの近傍」とは、平面ディフューザ３８の光放出面３８ｂの一部がメニスカスレンズ３６の入光面３６ａ側の底面３７に接した状態も含む概念である。
【００２８】
ところで、本実施例において、各発光体３０におけるメニスカスレンズ３６によって形成される発光ダイオード３４の虚像Ｉは、平面ディフューザ３８が存在しないと仮定した場合において、図７に示すように、その幾何学的中心が反射面２０における焦点Ｆに位置するように設定されている。このような位置に虚像Ｉを設定する手段として、メニスカスレンズ３６の屈折率を調節することによって光学的に虚像Ｉの位置を調整してもよい。あるいは、支柱３２の断面寸法を調整してもよい。支柱３２の断面寸法を小さくしていくと虚像Ｉの位置は焦点Ｆから遠ざかるようになり、逆に、断面寸法を大きくしていくと虚像Ｉの位置は焦点Ｆに近づくようになる。もちろん、両者を併用してもよい。
【００２９】
図１、図４、および図６に戻り、レンズ保持部材４０は、金属や不透明樹脂あるいは透光性樹脂等で形成された環状体であり、発光ダイオード３４を囲繞するようにして、その一方端が支柱３２の表面に取り付けられているとともに、他方端部に形成された段部４１に平面ディフューザ３８およびメニスカスレンズ３６がこの順に嵌め込まれている。なお、メニスカスレンズ３６とレンズ保持部材４０とを互いに一体に形成してもよいが、その場合、平面ディフューザ３８を適切な位置に配設する必要がある。
【００３０】
レンズ保持部材４０が金属や不透明樹脂で形成されている場合、発光ダイオード３４から放射され、レンズ保持部材４０の内面で反射した後、平面ディフューザ３８およびメニスカスレンズ３６を通して外部へ放射される光もあるが、このような光も迷光の一種であり、対象物を照らす有効な光とはならないことから光量低下の要因となる。
【００３１】
また、レンズ保持部材４０が透光性樹脂で形成されている場合、大部分がレンズ保持部材４０の内面で反射した後、平面ディフューザ３８およびメニスカスレンズ３６を通して外部へ放射されるが、一部は透光性樹脂製のレンズ保持部材４０を通って迷光として外部へ放射される。
【００３２】
支柱３２は、反射面２０の底部から中心軸Ｃに沿って延びるアルミニウム製（熱伝導性の高い材料であれば銅など他の材料を使用してもよい。）の四角柱材（例えば、発光体３０の数が３つであれば三角柱材を用い、５つであれば五角柱材を用いるのが好適である。）であり、その先端部において４つの発光体３０がそれぞれ反射面２０の焦点Ｆを中心として周方向に均等間隔で放射状に配設されている。
【００３３】
このように、支柱３２は、熱伝導性の高いアルミニウムで形成されていることから、発光ダイオード３４が発光すると同時に発生する熱を発光ダイオード３４から素早く受け取ることができるようになっている。つまり、支柱３２は、単に発光ダイオード３４やメニスカスレンズ３６を保持するだけでなく、発光ダイオード３４の放熱材としての役割も有している。また、支柱３２の他方端部は、反射鏡１２の中央取付筒部２４に挿入された後、シリコン系接着剤等によって反射鏡１２に接着されている（図１）。
【００３４】
支柱３２における４つの側面には、それぞれ発光ダイオード３４に給電するための給電部材４４が配設されており（図４）、この給電部材４４を通じて発光ダイオード３４に電力が供給されるようになっている。本実施例では、支柱３２がアルミニウム製であることから、支柱３２と給電部材４４との間を絶縁する必要がある。なお、給電部材４４への給電は、外部の電源（図示せず）からリード線（図示せず）を介して行われる。また、リード線を用いて発光ダイオード３４に直接給電するようにしてもよい。
【００３５】
この発光ダイオードランプ１０は、一例を示せば以下の手順で製造される。発光ダイオード３４を支柱３２に接着した後、当該発光ダイオード３４と給電部材４４との電気的接続を行うことによって実装する。そして、発光ダイオード３４の周囲にレンズ保持部材４０を配置した後、平面ディフューザ３８およびメニスカスレンズ３６をそれぞれ取り付ける。然る後、支柱３２を反射鏡１２の中央取付筒部２４に挿入し、所定の位置においてシリコン系接着剤等で固定する。
【００３６】
このようにして製造した発光ダイオードランプ１０の給電部材４４に通電すると、当該給電部材４４を介して発光ダイオード３４に通電され、発光ダイオード３４が光を放射する。発光ダイオード３４から放射された光は、平面ディフューザ３８で拡散混合した後、メニスカスレンズ３６で集光される。そして、メニスカスレンズ３６から出た光は反射面２０で反射した後、開口２２に配設された前面カバー２６を通って発光ダイオードランプ１０から外部へ出る。
【００３７】
（本実施例における発光ダイオードランプ１０の特徴）
本実施例の発光ダイオードランプ１０によれば、図８に示すように、平面ディフューザ３８がメニスカスレンズ３６の入光面３６ａ側の近傍に配置されており、複数の発光ダイオード素子４２から放射された波長の異なる光を混ぜ合わせるために拡散材を含有させた封止用樹脂で発光ダイオード３４を封止する必要がない。これにより、発光ダイオード３４から放射された光Ｌを拡散させてその一部を迷光にすることなく、当該光で平面ディフューザ３８の光入射面３８ａを直接照らすことができる。加えて、光入射面３８ａから平面ディフューザ３８に入った光は拡散混合されて光放出面３８ｂから外部に出るが、光放出面３８ｂの近傍にメニスカスレンズ３６の入光面３６ａが存在していることから、光放出面３８ｂから出たほぼ全ての光が入光面３６ａからメニスカスレンズ３６に入ることになる。つまり、発光ダイオード３４から放射され光を迷光にすることなく拡散混合しつつ当該光の大部分をメニスカスレンズ３６に入れることができる。
【００３８】
このように、本実施例の発光ダイオードランプ１０によれば、平面ディフューザ３８によって互いに異なる波長の光を所定の拡散度合いで混合することにより所望の光を得つつ、対象物を照らす光量が大幅に低下するのを回避できる。
【００３９】
（第２実施例）
上述した第１実施例では４つの発光体３０が反射鏡１２の内面に配設された発光ダイオードランプ１０について説明したが、本発明は反射鏡１２を使用することなく、かつ、発光体３０が１つの発光ダイオードランプ１０にも適用することができる。以下では、「反射鏡１２を使用することなく、かつ、発光体３０が１つの発光ダイオードランプ１０」を第２実施例として簡単に説明する。なお、第１実施例で説明した内容と同じものについては、同じ参照番号を使用し、第２実施例の説明で繰り返さず第１実施例での説明を援用する。
【００４０】
図９に示すように、第２実施例の発光ダイオードランプ１０は、発光ダイオード光源１４のみで構成されている。また、この発光ダイオード光源１４は、上述のように１つの発光体３０と支柱３２とで構成されている。本実施例の場合、発光体３０は、角柱状の支柱３２の先端面に配設されているが、発光ダイオードランプ１０の用途等によっては、支柱３２の他の面に配設してもよい。また、支柱３２の形状も円柱などといったように、角柱に限定されるものではない。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
１０…発光ダイオードランプ、１２…反射鏡、１４…発光ダイオード光源、２０…反射面、２２…開口、２４…中央取付筒部、２６…前面カバー、３０…発光体、３２…支柱、３４…発光ダイオード、３６…メニスカスレンズ、３７…（メニスカスレンズ３６の）底面）、３８…平面ディフューザ、４０…レンズ保持部材、４１…（レンズ保持部材における）段部、４２…発光ダイオード素子、４４…給電部材
１００…拡散材、１０１…封止用樹脂、１０２…発光ダイオード、１０４…発光ダイオード素子、１１０…レンズ、１１２…（レンズ１１０の）受光面
Ｃ…中心軸、Ｉ…虚像、Ｌ…光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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