(57)【要約】【課題】  発光ダイオードの光を収束するレンズであって、成型時にヒケが発生しにくい発光ダイオード用レンズを提供する。【解決手段】  発光ダイオードを有する発光ユニット２の前方に発光ダイオード用レンズ１０が設置される。レンズ１０は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１よりも中心線Ｏ上での厚さ寸法Ｔ１が小さいため、光学用樹脂材料で射出成型した後にヒケが発生しにくい。また、入射光学面２２の曲率半径Ｒ２を出射光学面１４の曲率半径Ｒ１よりも大きくすることで、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１が大きくても、光を収束させる効率が高くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオードからの光が入射する入射光学面と、前記光が出射する出射光学面とを有し、光学用樹脂材料で成型されたレンズにおいて、
前記入射光学面の中心と前記出射光学面の中心を通る中心線上での厚さ寸法Ｔ１と、凸状の前記出射光学面の曲率半径Ｒ１との関係がＲ１＞Ｔ１であることを特徴とする発光ダイオード用レンズ。
【請求項２】
１＜Ｒ１／Ｔ１≦２である請求項１記載の発光ダイオード用レンズ。
【請求項３】
前記入射光学面の曲率半径Ｒ２と前記出射光学面の曲率半径Ｒ１との関係は、Ｒ１＜Ｒ２であり、前記入射光学面の周縁部における厚さＴ２と、中心線上での前記厚さＴ１との関係が、Ｔ１＞Ｔ２である請求項１または２記載の発光ダイオード用レンズ。
【請求項４】
発光ダイオードと対向する入射側に凹部が形成されて、前記凹部の底部が前記入射光学面であり、前記凹部の内周面の直径Ｄ２と、レンズの外周面の直径Ｄ１との関係が、１／３≦Ｄ２／Ｄ１＜１である請求項１ないし３のいずれかに記載の発光ダイオード用レンズ。
【請求項５】
前記出射光学面に連続する外周面は、前記中心線からの半径が前記出射光学面に向けて徐々に小さくなるテーパ面である請求項１ないし４のいずれかに記載の発光ダイオード用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学用樹脂材料で成型されたレンズに係り、特に発光ダイオードから発せられた光を集光する発光ダイオード用レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
白色光などを発する発光ダイオードを使用したフラッシュライトやスポットライトなどの照明装置が開発されている。
【０００３】
この照明装置には、発光ダイオードチップが集光レンズで覆われた発光ユニットが使用されている。発光ユニットの前方に発光ダイオード用レンズが設けられており、発光ユニットの集光レンズで集光された光が、さらに発光ダイオード用レンズで集光されて、前方へ向く拡散光またはほぼ平行光となるように矯正される。
【０００４】
以下の特許文献１と特許文献２に記載された照明装置に設けられた発光ダイオード用レンズは、光が入射する入射光学面が凹状の球面であり、光が出射する出射光学面が凸状の球面または非球面である。いずれのレンズも出射光学面の曲率半径に対して、中心線上でのレンズの厚さ寸法の方が大きく形成されている。
【０００５】
さらに、入射光学面の曲率半径が出射光学面の曲率半径よりも小さく形成され、発光ユニットの集光レンズの部分が入射光学面の凹部の内部にほとんど隙間が生じないように挿入されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５１２１２７号公報
【特許文献２】米国特許第７，２８３，３１３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献１と特許文献２に記載された照明装置に使用された発光ダイオード用レンズは、発光ユニットから発せられる光の多くの部分をレンズ内に引き込もうとして、入射光学面の曲率半径を小さくし、発光ユニットの集光レンズを入射光学面でなるべく隙間のないように囲む構造にしている。
【０００８】
入射光学面の曲率半径が小さいため、発光ユニットから発せられて入射光学面からレンズの内部に入射した光は、レンズの内部で広く拡散する傾向にある。そのために、出射光学面の曲率半径を比較的小さくして、レンズから出射する光を出射光学面で大きな角度で屈折させて集光させている。
【０００９】
その結果、中心線上でのレンズの厚さ寸法が、出射光学面の曲率半径よりも大きくなって、中心線上でのレンズの肉厚が極端に大きい不自然な形状となっている。
【００１０】
この種の発光ダイオード用レンズを、光学用樹脂材料で射出成型すると、射出成型後の冷却工程で硬化途中の光学用樹脂材料にヒケが発生しやすくなる。特許文献１および特許文献２に記載されたレンズは、中心線上でのレンズの厚さ寸法が極端に大きいため、中心線上で発生するヒケの比率が高くなって光学特性に狂いを生じる原因となる。これに対処するには、金型に光学用樹脂材料を射出してレンズを成型した後に、金型内でレンズを保持して徐々に冷却することが必要になるが、その場合、１個のレンズを成型するのに時間がかかり、量産効率が著しく低下してしまう。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、光学用樹脂材料で射出成型し冷却するときのヒケを生じにくくして量産性を高め、しかも光学特性が良好な発光ダイオード用レンズを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、発光ダイオードからの光が入射する入射光学面と、前記光が出射する出射光学面とを有し、光学用樹脂材料で成型されたレンズにおいて、
前記入射光学面の中心と前記出射光学面の中心を通る中心線上での厚さ寸法Ｔ１と、凸状の前記出射光学面の曲率半径Ｒ１との関係がＲ１＞Ｔ１であることを特徴とするものである。
例えば、本発明は、１＜Ｒ１／Ｔ１≦２であることが好ましい。
【００１３】
本発明の発光ダイオード用レンズは、出射光学面の曲率半径が比較的大きく、中心線の肉厚が前記曲率半径に比べて小さいため、成型後の冷却工程でのヒケを少なくできる。
【００１４】
本発明は、前記入射光学面の曲率半径Ｒ２と前記出射光学面の曲率半径Ｒ１との関係が、Ｒ１＜Ｒ２であり、前記入射光学面の周縁部における厚さＴ２と、中心線上での前記厚さＴ１との関係が、Ｔ１＞Ｔ２であるものとして構成できる。
【００１５】
本発明の発光ダイオード用レンズは、従来のように、入射光学面の曲率半径を小さくして入射光学面で発光ユニットを包み込むのではなく、入射光学面の曲率半径を大きくして発光ユニットとの間に空隙を形成している。入射光学面の曲率半径を比較的大きくすることで、発光ユニットから入射した光をレンズ内で集光しやすくしている。その結果、比較的曲率半径が大きい出射光学面から出射する光を前方に向けて集光させることができ、前方に向かう拡散光や平行光にしやすくなる。
【００１６】
また、入射光学面と出射光学面との厚さは、中心線上で最も大きく、中心線から離れた場所では、厚さ寸法が小さくなるため、光学用樹脂材料を用いて射出成型しやすくなり、その結果、ヒケも生じにくくなる。
【００１７】
以上から、光を集光させる機能を低下させることなく、中心線上での肉厚の小さい発光ダイオード用レンズを構成できるようになる。
【００１８】
本発明は、発光ダイオードと対向する入射側に凹部が形成されて、前記凹部の底部が前記入射光学面であり、前記凹部の内周面の直径Ｄ２と、レンズの外周面の直径Ｄ１との関係が、１／３≦Ｄ２／Ｄ１＜１であることが好ましく、２／３≦Ｄ２／Ｄ１＜１であることがさらに好ましい。
【００１９】
上記のように構成することで、入射光学面の曲率半径を比較的大きくし、発光ユニット入射光学面との間に空隙を形成することが可能になる。
【００２０】
本発明は、前記出射光学面に連続する外周面が、前記中心線からの半径が前記出射光学面に向けて徐々に小さくなるテーパ面であることが好ましい。
【００２１】
上記のように出射光学面に連続するテーパ面を外周部に形成することで、射出成型された後に、レンズを金型の内部から取り出しやすくなる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の発光ダイオード用レンズは、光学用樹脂材料で射出成型したときにヒケが生じにくく、金型でレンズを保持する時間を短くでき、量産に適するものとなる。また、光学特性を良好にできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の発光ダイオード用レンズを使用した照明装置の断面図、
【図２】本発明の第２の実施の形態の発光ダイオード用レンズを使用した照明装置の断面図、
【図３】第１の実施の形態の発光ダイオード用レンズの光学特性を示す線図、
【図４】第２の実施の形態の発光ダイオード用レンズの光学特性を示す線図、
【図５】第１の実施の形態の発光ダイオード用レンズと比較例のヒケの発生の差を説明する線図、
【図６】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、比較例の発光ダイオードレンズの成型後の写真、
【図７】実施例の発光ダイオードレンズの成型後の写真、
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に示す照明装置１は、発光ユニット２と、その前方に設けられた発光ダイオード用レンズ１０とを有している。
【００２５】
発光ユニット２は、ケーシング３内に発光ダイオードのチップが収納されている。発光ダイオードのチップは白色系の光を発するものである。ケーシング３の前方に集光レンズ４が装着されている。集光レンズ４は、曲率半径ｒの球面レンズまたは非球面レンズである。発光ダイオードのチップから発せられた光は、集光レンズ４で集光されて発光ダイオード用レンズ１０に入射する。
【００２６】
発光ダイオード用レンズ１０は、透明な光学用樹脂材料で射出成型されている。光学用樹脂材料は、例えば、ポリカーボネートまたはアクリル系樹脂である。
【００２７】
図１では、発光ユニット２内の発光ダイオードのチップが位置し且つ集光レンズ４の曲率中心が位置する光学的な中心線をＯで示している。発光ダイオード用レンズ１０は、射出成型のためのゲート部などを除き、基本的な形状は、中心線Ｏを中心とする全ての回転角に対して回転対称形状である。
【００２８】
発光ダイオード用レンズ１０の外面の形状は、基部の円筒部１１と、これに続く中間部のテーパ部１２と、出射側端部１３とに区分される。円筒部１１の外周面は、中心線Ｏを中心とする円筒面であり、その直径はＤ１である。テーパ部１２の外周面は、中心線Ｏを中心とする半径が、出射側端部１３に向けて徐々に小さくなるテーパ面である。
【００２９】
出射側端部１３には、出射側に向く出射光学面１４が形成されている。出射光学面１４は、前記テーパ部１２のテーパ面に連続している。出射光学面１４は、曲率半径Ｒ１の球面である。あるいは曲率半径Ｒ１を基本とする非球面形状であってもよい。
【００３０】
発光ダイオード用レンズ１０の入射側の後端面１５に、凹部２０が形成されている。凹部２０は前記後端面１５から掘り込まれた部分が円筒部２１である。円筒部２１の後端面１５に開口する開口端の内直径がＤ２である。円筒部２１の内周面は中心線Ｏを中心とする円筒面である。凹部２０の底部は、入射光学面２２である。入射光学面２２は、出射光学面１４に向けて窪む凹球面であり、その曲率半径はＲ２である。または、入射光学面２２が、曲率半径Ｒ２を基本とする非球面であってもよい。
【００３１】
発光ダイオード用レンズ１０は、凹部２０の内径寸法Ｄ２の範囲で、凸状の出射光学面１４と凹状の入射光学面２２とで凸型のメニスカスレンズが構成されている。
【００３２】
中心線Ｏ上でのメニスカスレンズの厚さ寸法をＴ１とすると、この厚さ寸法Ｔ１は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１よりも小さい（Ｒ１＞Ｔ１）。また、入射光学面２２の曲率半径Ｒ２は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１よりも大きい（Ｒ１＜Ｒ２）。そのため、入射光学面２２の外周縁における入射光学面２２と出射光学面１４との距離、すなわちメニスカスレンズの外周縁での厚さ寸法Ｔ２は、中心線Ｏ上での厚さＴ１よりも小さく、メニスカスレンズの最も大きい厚さ寸法はＴ１である。
【００３３】
前記凹部２０の円筒部２１の内径寸法Ｄ２と、円筒部１１の外周面の直径寸法Ｄ１との差は、１／３≦Ｄ２／Ｄ１＜１であり、さらに好ましくは２／３≦Ｄ２／Ｄ１＜１であり、凹部２０の開口面積が十分に広くなっている。凹部２０の開口端の内径寸法Ｄ２は、発光ユニット２に設けられた集光レンズ４の直径（約２×ｒ）の１．５倍以上が好ましく、２倍以上がさらに好ましい。内径寸法Ｄ２を上記のように設定すると、発光ユニット２と入射光学面２２との間に広い隙間を形成でき、且つ入射光学面２２の曲率半径Ｒ２を十分に広くできる。
【００３４】
円筒部２１の内周面の半径と、円筒部１１の外周面の半径との差（Ｄ１−Ｄ２）／２は、前記厚さ寸法Ｔ１よりも小さく、且つ厚さ寸法Ｔ２よりも小さい。すなわち、発光ダイオード用レンズ１０の最も大きな厚さ寸法はＴ１である。
【００３５】
さらに、発光ユニット２と発光ダイオード用レンズ１０とが組み合わされたときに、発光ユニット２の見かけの発光点Ｏｐ（例えば集光レンズ４の焦点あるいは発光ダイオードのチップが設けられている点）が、入射光学面２２の曲率中心Ｏ２よりも入射光学面２２に接近する位置にある。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施の形態の発光ダイオード用レンズ１１０を使用した照明装置１０１を示している。
【００３７】
この照明装置１０１に使用されている発光ダイオード用レンズ１１０は、凹部２０の底部に形成されている入射光学面２２の曲率半径が無限大である。その他の各部の寸法の相互関係は、第１の実施の形態の発光ダイオード用レンズ１０の各部の寸法の相互関係と同じである。
【００３８】
図１に示す発光ダイオード用レンズ１０を使用した照明装置１では、入射光学面２２の曲率半径Ｒ２が大きく、発光ユニット２の見かけの発光点Ｏｐが入射光学面２２の曲率中心Ｏ２よりも入射光学面２２に近い位置にある。図１には、ひとつの光線の入射光学面２２に対する入射角αとレンズ内部への出射角βとの関係を模式的に示している。図１に示すような発光点Ｏｐと曲率中心Ｏ２との関係では、入射光学面２２からレンズ内に入射した光が角度βで示すようにレンズ内部に集光させられ、さらに出射光学面１４でさらに前方の空間に向けて集光させられる。
【００３９】
入射光学面２２によってレンズに入射する光が集光されるために、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１が比較的大きくても、発光ユニット２から発せられる光を、発光ダイオード用レンズ１０の前方の空間に向けて集光させやすくなる。図３は、図１に示す照明装置１において出射光学面１４の前方での光量分布を測定した線図である。図１に示す発光ダイオード用レンズ１０を使用した照明装置１は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１が比較的大きいのにもかかわらず、図３に示すように前方の空間に向けて平行光束に近い拡散光を送り出すことができる。そして、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１を比較的大きくできるために、中心線Ｏでの厚さ寸法Ｔ１を十分に小さくできるようになって、成型の際にヒケが発生しにくくなる。
【００４０】
これは、図２に示す発光ダイオード用レンズ１１０を使用した照明装置１０１においても同じである。図２において入射角αと出射角βとの関係で示すように、曲率半径が無限大の入射光学面２２で、発光ユニット２から発せられた光をレンズ内で集光させることができるため、比較的曲率半径Ｒ１の大きい出射光学面１４から送出する光を前方の空間内で集光させやすくなる。そのため、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１が比較的大きくても、図４に示すような平行光束に近い拡散光を送り出すことができる。出射光学面１４の曲率半径Ｒ１を比較的大きくできるために、中心線Ｏでの厚さ寸法Ｔ１を十分に小さくすることが可能になり、成型の際にヒケを発生しにくくなる。
【００４１】
これに対し、特許文献１や特許文献２に記載された照明装置では、入射光学面の曲率半径がきわめて小さく、しかも発光ユニットの発光点Ｏｐが、入射光学面の曲率中心Ｏ２よりも入射光学面から離れて位置している。そのため、入射光学面から入射した光がレンズ内で中心線から離れる向きに拡散することになって、出射光学面の曲率半径を極端に小さくして、出射光学面での光の集光度を高めることが必要となる。これに伴って、中心線でのレンズの厚さ寸法が極端に大きくなり、本発明の実施の形態のような薄型のレンズを構成できず、成型の際にヒケが発生しやすくなる。
【００４２】
さらに、図１に示す発光ダイオード用レンズ１０および図２に示す発光ダイオード用レンズ１１０は、出射光学面１４に連続するテーパ部１２が、出射光学面１４に向けて徐々に半径が小さくなるテーパ面であるため、射出成型後に金型から抜き出しやすい。また金型から抜き出す際に、出射光学面１４に大きな応力が作用することもなく、出射光学面１４の品質を維持しやすい。
【００４３】
また、入射光学面２２と出射光学面１４に反射防止構造を設けることが好ましい。特に、発光ユニット２からの光が入射する入射光学面２２に反射防止構造を設けることが好ましい。この反射防止構造は、光学面に可視光の波長よりも短い大きさに微細な凹凸構造を形成するものであり、成型用の金型のキャビティ内面に凹凸を形成しておくことでレンズの光学面に転写できる。
【００４４】
微細な凹凸構造は、微細な円錐状突部、角錐状突部、円筒状突部、または矩形状突部が、可視光の波長よりも短いピッチで規則的に格子状に配列しているものである。
【実施例】
【００４５】
図１に示す形状のレンズで実施例と比較例を製作した。実施例と比較例は、共にＤ１＝１５．１ｍｍ、Ｄ２＝１２．８ｍｍ、円筒部１１および円筒部２１の中心線Ｏに沿う向きの長さを３．９３ｍｍ、テーパ部１２の長さを４．６４ｍｍ、出射側端部１３の長さを４．１３ｍｍとした。
【００４６】
実施例は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１を中心線Ｏでの厚さ寸法Ｔ１よりも大きくし、Ｒ１／Ｔ１を１．３３とした。比較例は、出射光学面１４の曲率半径Ｒ１を中心線Ｏでの厚さ寸法Ｔ１よりも小さくして、Ｒ１／Ｔ１を０．７とした。
【００４７】
実施例と比較例をアクリル系の光学用樹脂材料で射出成型し、それぞれ射出完了から３０秒後と１分後および３分後に金型から取り出したものを比較した。
【００４８】
図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、比較例のレンズの写真であり、（Ａ）は成型後の３０秒後に金型から取り出したレンズ、（Ｂ）は成型後の１分後に金型から取り出したレンズ、（Ｃ）は成型後の３分後に金型から取り出したレンズである。図７は実施例のレンズであり、成型後の３０秒後に金型から取り出したものである。
【００４９】
図５は、その結果を整理した線図である。図５の横軸は、金型から離脱させるまでの時間（分）であり、縦軸は、レンズの中心部の長さに対する入射光学面２２の中心部に形成されたヒケの窪みの大きさの比率を示している。
【００５０】
図５の（ｉｉ）に示すように、また図６（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、比較例は、成型後の３０秒後と１分後および３分後に金型から取り出したレンズの全てに大きなヒケが形成されるのに対し、図５の（ｉ）に示すように、また図７に示すように、実施例では、成型後３０秒で金型から取り出しても大きなヒケが形成されてないのがわかる。
よって、本発明は、１＜Ｒ１／Ｔ１≦２であることが好ましい。
【００５１】
上記範囲の発光ダイオード用レンズは、射出成型の際にヒケができにくくなり、よって成型後の短時間経過したときに金型から取り出すことができるため、品質が安定し、量産性に優れたものとなる。
【符号の説明】
【００５２】
１，１０１  照明装置
２  発光ユニット
４  集光レンズ
１０，１１０  発光ダイオード用レンズ
１１  円筒部
１２  テーパ部
１３  出射側端部
１４  出射光学面
１５  後端面
２０  凹部
２１  円筒部
２２  入射光学面
【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】
2011071382.tif 000007
【図６】
2011071382.tif 000008
【図７】
2011071382.tif 000009