(57)【要約】【課題】レンズからの出射光のビームアングルが十分に小さく、かつ、光取り出し効率の高い、狭角配光又は中角配光のＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】少なくともＬＥＤ光源とレンズとを備えた照明装置であって、前記レンズは、その光軸を中心にした回転体形状を成し、入射面、出射面及び反射側面を備え、前記入射面は、前記レンズの光軸に対して対称な形状となるように設けられた１つの凹部であると共に、前記ＬＥＤ光源に対向する上方入射面とその周囲を囲む側方入射面からなり、前記上方入射面は凸レンズであり、前記ＬＥＤ光源の発光面の最大径をＸとし、前記上方入射面の最大径をＹとした場合に、０．８≦Ｘ／Ｙ≦１．２であることを特徴とする照明装置。【選択図】図１
2015002025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＬＥＤ光源とレンズとを備えた照明装置であって、
前記レンズは、その光軸を中心にした回転体形状を成し、入射面、出射面及び反射側面を備え、
前記入射面は、前記レンズの光軸に対して対称な形状となるように設けられた１つの凹部であると共に、前記ＬＥＤ光源に対向する上方入射面とその周囲を囲む側方入射面からなり、
前記上方入射面は凸レンズであり、  
前記ＬＥＤ光源の発光面の最大径をＸとし、前記上方入射面の最大径をＹとした場合に、
０．８≦Ｘ／Ｙ≦１．２
であることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光軸を含む平面によって前記レンズを切断した場合の断面における前記側方入射面の形状は、曲面を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記ＬＥＤ光源は、ワンコアのＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ＬＥＤ光源の発光面の最大径Ｘは、３００μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記上方入射面を構成する凸レンズの直径は、３００μｍ以上１２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子としてＬＥＤを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と称する）は、従来から知られる蛍光灯や白熱電球のような照明光源に比べて、高効率かつ長寿命であることから、新しい光源として期待されている。照明装置の用途に応じて任意の配光特性が得られるようにするため、このようなＬＥＤ光源と配光制御用のレンズとを組み合わせることが検討されている。
例えば、特許文献１には、ＬＥＤ素子の配光特性を広角から狭角に変化させて輝度を高める方法として、凸入射面と全反射面を組み合わせたハイブリッドレンズを用いることが記載されている。当該ハイブリッドレンズは、中央に配置されたＬＥＤ素子からのレンズ入射光を、反射面による全反射によってレンズ中心軸（光軸）に対して略平行光とし出射させる光路と、凸入射面による屈折によって光軸に対して略平行光とし集光して出射させる光路の２種類の光路を有し、両光路により、光軸に対して略平行光が出射する狭角配光の光源ユニットが実現されることが記載されている。そして、その具体例として、複数の光色のＬＥＤ素子からの光を混色して出射するレンズ付発光ユニットが記載されている（段落［０００４］、［図１］〜［図１６］）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５９０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の検討によれば、特許文献１に開示されたハイブリッドレンズを用いて狭角配光の照明装置を設計した場合であっても、レンズを通過して集光された出射光の放射角（ビームアングル）が十分に小さくならない場合があった。特に、照明装置に複数のＬＥＤを搭載したり、あるいは、ワンコア（ひと粒）のＬＥＤ光源の発光面を拡大することにより、ＬＥＤ光源の実効的な発光面積を拡大した場合にその傾向が生じやすく、また、ＬＥＤ照明のメリットである装置の薄型化や、デザイン性の向上の要求から装置の小型化をする場合にも、出射光のビームアングルを十分に小さくできない傾向が生じやすいことがわかってきた。
【０００５】
また、本発明者らの検討によれば、出射光のビームアングルを小さくするために、レンズの凸入射面の面積を過度に小さく設計した場合、レンズの出射面の直上に向けて出射される光の光量が相対的に減少して実効的な光取り出し効率が低下する場合があることがわかってきた。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ光源の実効的な発光面積を拡大したり、あるいは、照明装置を薄型化・小型化した場合であっても、レンズからの出射光のビームアングルが十分に小さく、かつ、光取り出し効率の高い、狭角配光又は中角配光のＬＥＤ照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の要旨は、以下の通りである。
［１］少なくともＬＥＤ光源とレンズとを備えた照明装置であって、前記レンズは、その光軸を中心にした回転体形状を成し、入射面、出射面及び反射側面を備え、前記入射面は、前記レンズの光軸に対して対称な形状となるように設けられた１つの凹部であると共に
、前記ＬＥＤ光源に対向する上方入射面とその周囲を囲む側方入射面からなり、前記上方入射面は凸レンズであり、前記ＬＥＤ光源の発光面の最大径をＸとし、前記上方入射面の最大径をＹとした場合に、０．８≦Ｘ／Ｙ≦１．２であることを特徴とする照明装置。
［２］前記光軸を含む平面によって前記レンズを切断した場合の断面における前記側方入射面の形状は、曲面を有する形状であることを特徴とする［１］に記載の照明装置。
［３］前記ＬＥＤ光源は、ワンコアのＬＥＤ光源であることを特徴とする［１］又は［２］に記載の照明装置。
［４］前記ＬＥＤ光源の発光面の最大径Ｘは、３００μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする［１］から［３］のいずれかに記載の照明装置。
［５］前記上方入射面を構成する凸レンズの直径は、３００μｍ以上１２ｍｍ以下であることを特徴とする［１］から［４］のいずれかに記載の照明装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、上記Ｘ／Ｙを特定の範囲内にすることにより、ＬＥＤ光源の実効的な発光面積を拡大したり、あるいは、照明装置を薄型化・小型化した場合であっても、レンズからの出射光のビームアングルが十分に小さく、かつ、光取り出し効率の高い、狭角配光又は中角配光のＬＥＤ照明装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る照明装置のＬＥＤ光源とレンズの関係を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る照明装置を構成するレンズの側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る照明装置を構成するレンズの正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る照明装置を構成するレンズの斜視図である。
【図５】本発明のシミュレーションの条件を説明するための図である。
【図６】本発明のビームアングルを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。以下に記載する発明構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例（代表例）であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの形態のみに限定する趣旨のものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００１０】
＜照明装置の全体構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る照明装置１０を、光軸を含む平面によって切断した場合のＬＥＤ光源２０とレンズ３０の関係を示す断面図である。照明装置１０は、少なくともＬＥＤ光源２０とレンズ３０とを備えている。後述のとおり、レンズ３０は、その光軸を中心にした回転体形状を成し、入射面３１、出射面３２及び反射側面３３を備えた構造を有している。また、レンズ３０の入射面３１の形状は、レンズ３０の光軸に対して対称な形状となるように設けられており、１つの凹部をなしている。また、レンズ３０の入射面３１は、ＬＥＤ光源２０に対向する上方入射面３１ａと、その周囲を囲む側方入射面３１ｂとからなり、上方入射面３１ａは凸レンズを構成する。
【００１１】
後述のとおり、本発明の照明装置１０は、ＬＥＤ光源２０の発光面の最大径Ｘと、レンズ３０の上方入射面３１ａ（凸レンズの面）の最大径Ｙの比が所定の範囲内である点に特徴があり、これによって、ＬＥＤ光源２０の実効的な発光面積を拡大したり、あるいは、照明装置１０を薄型化・小型化した場合であっても、レンズ３０からの出射光の放射角（ビームアングル）を十分に小さくでき、かつ、レンズ３０の出射面３２の直上に向けて出射される光の光量を十分に確保すること（光取り出し効率を高くすること）が可能となる
。
【００１２】
＜ＬＥＤ光源２０＞
（ＬＥＤ光源２０の構成）
ＬＥＤ光源２０には、例えば、ＬＥＤチップをモジュール基板上に実装することにより、ＬＥＤ発光モジュールとしたものを用いることができる。この場合、モジュール基板の中央部にＬＥＤチップを集約配置した、ワンコア（ひと粒）型のモジュールとすることが好ましい。このようなワンコアのＬＥＤ光源を採用することで、ＬＥＤ照明装置全体として点光源とすることができる。また、このようなワンコアのＬＥＤ光源を採用することで、マルチシャドウを有効に解消又は緩和することができ、光ムラの少ない均一で安定した照明効果を実現することができる。
【００１３】
ＬＥＤチップを実装するためのモジュール基板としては、例えば、熱伝導性が良好なアルミニウム等の金属材料、或いは絶縁材料等により形成されたメタルベース基板が好適に用いられる。
ＬＥＤ光源２０には、例えば、１又は複数の近紫外又は紫色ＬＥＤチップをモジュール基板の実装面に設けた配線上に直接実装するチップ・オン・ボード構造としたものを用いることができ、近紫外又は紫色ＬＥＤチップにより励起されて発光する青色蛍光体、緑色蛍光体及び赤色蛍光体が混ぜ込まれた透光性樹脂によってポッティング等されることにより構成されていてもよい。なお、ＬＥＤチップは、近紫外又は紫色ＬＥＤチップのみならず、青色ＬＥＤチップ等の種々のＬＥＤチップを用いることができ、用いるＬＥＤチップに応じて種々の蛍光体を選択することができる。また、ＬＥＤチップに用いる半導体基板には、発光層を構成する半導体材料と、格子定数や熱膨張係数等が同等か又は近い材料を用いることが好ましく、例えば、発光層に窒化物半導体を用い、基板に窒化物半導体、炭化珪素、又はサファイアを用いることが好ましい。中でも、ＧａＮ基板は、発光層を構成する半導体材料がＧａ含有窒化物半導体である場合に、格子定数及び熱膨張係数がほぼ等しいので、基板と半導体発光層の間のミスマッチがほとんどなく、発光効率の点でも耐久性の点でも、特に好ましい。このような基板を用いたＬＥＤチップを適用した場合、ＬＥＤチップに大電流を投入しても、発熱による熱劣化が少なく、長寿命でかつ大光束のＬＥＤ照明を実現することができる。
【００１４】
これらのＬＥＤチップを構成する材料は、ＬＥＤ照明装置の目的や用途に応じて、公知の材料を適宜選択することができ、公知の方法でＬＥＤチップを製造することができる。
なお、ＬＥＤ光源２０には、前記のチップ・オン・ボード構造を用いる代わりに、パッケージ構造を採用することもでき、種々の形態に適用することができる。また、ＬＥＤ光源２０には、複数のＬＥＤチップを半導体基板上に分散して設けることもできる。
【００１５】
（ＬＥＤ光源の発光面の最大径Ｘについて）
本発明において、ＬＥＤ光源の発光面の最大径Ｘとは、本発明のＬＥＤ光源を単一の光源とみなした場合の発光面の最大径Ｘを意味する。すなわち、例えば、ワンコア（１粒）型のＬＥＤ発光モジュールであるようなＬＥＤ光源の場合は、そのワンコアのＬＥＤ光源の発光面の端から端までの距離のうち最大の距離を最大径Ｘとする。また、複数のＬＥＤ発光モジュールを単に半導体基板上に分散して設けた場合は、最も離れて存在するＬＥＤ発光モジュールの発光面の外側の端から端までの距離を最大径Ｘとする。
【００１６】
Ｘは、通常３００μｍ〜１０ｍｍであり、５００μｍ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましく、３ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、Ｘは、９ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、７ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１７】
＜レンズ３０＞
（レンズ３０の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る照明装置１０の概略を示す断面図であり、図１には、光軸を含む平面によってレンズ３０を切断した場合の断面図が記載されている。また、図２〜図４は、本発明の実施形態に係る照明装置を構成するレンズの側面図、正面図及び斜視図である。
【００１８】
レンズ３０は、その光軸を中心にした回転体形状を成し、入射面３１、出射面３２及び反射側面３３を備えた構造を有している。上記回転体形状は、レンズ全体として、実質的に対称な回転体形状であることを意味し、集光機能に影響しない程度の部材の追加や加工変形を施したものであっても、本発明の回転体形状に含むものとする。
レンズ３０の入射面３１の形状は、レンズ３０の光軸に対して対称な形状となるように設けられており、１つの凹部３４をなしている（図１、図４参照）。また、レンズ３０の入射面３１は、ＬＥＤ光源２０に対向する上方入射面３１ａと、その周囲を囲む側方入射面３１ｂとからなり、上方入射面３１ａは凸レンズを構成する。
【００１９】
本発明の実施形態では、ＬＥＤ光源２０から出射された光は、凸形状を有するレンズ３０の上方入射面３１ａで屈折し、前記の光軸に対して略平行光として集光され、レンズ３０の出射面３２から外部に出射される。また、レンズ３０の上方入射面３１ａ又は側方入射面３１ｂから入射した光の一部は、レンズ３０内部の反射側面３３によって全反射され、前記の光軸に対して略平行光として、レンズ３０の出射面３２から外部に出射される。
なお、レンズ３０に入射した光のごく一部は、出射面３２以外の部分（例えば、反射側面３３やつば部３５）から漏れ出す場合がある。
【００２０】
本発明において、レンズ３０の側方入射面３１ｂの形状は、光軸を含む平面によってレンズ３０を切断した場合の断面において、すなわち、図１の断面図において、曲面を有する形状であることが好ましい。また、側方入射面３１ｂの形状は、球面の形状の一部であることが更に好ましく、半球面の形状の一部であることが特に好ましい。側方入射面３１ｂを上記の形状とすることにより、レンズ３０からの出射光の放射角（ビームアングル）を十分に小さくでき、かつ、レンズ３０の出射面３２の直上に向けて出射される光の光量を十分に確保する（光取り出し効率を高くする）ための、上方入射面３１ａの最大径（凸レンズ径）の設計マージンを広くすることができ、レンズ等を量産する際の歩留まりを向上することができる。また、側方入射面３１ｂを上記の形状とすることにより、光ムラが少なく均一で安定した照明効果を実現することができる。
【００２１】
レンズ３０の材質については、本発明の目的を達成しうる限り特に限定されないが、プラスチックを好適に用いることができる。具体的には、アクリル、環状ポリオレフィン及びポリカーボネート等の熱可塑性プラスチック、光硬化性プラスチック、ＵＶ硬化性プラスチックなどを用いることができる。このうち、製造コストの低減の観点から、射出成形によって製造することが可能な、アクリル、環状ポリオレフィン及びポリカーボネート等の熱可塑性プラスチックを好適に用いることができ、中でもポリカーボネートが特に好ましい。
【００２２】
（上方入射面の最大径Ｙについて）
本発明において、上方入射面の最大径Ｙとは、本発明のＬＥＤ光源を単一の光源とみなした場合の発光面と対向して存在する、レンズ３０の一部であって、凸レンズを構成する上方入射面３１ａの最大径Ｙを意味する。
Ｙは、通常３００μｍ〜１２ｍｍであり、５００μｍ以上がであることが好ましく、１ｍｍ以上であることがより好ましく、３ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、Ｘは、１０ｍｍ以下であることが好ましく、８ｍｍ以下であることがより好ましく、７ｍｍ
以下であることがさらに好ましい。
【００２３】
（ＬＥＤ光源の発光面の最大径Ｘと、上方入射面の最大径Ｙとの比率（Ｘ／Ｙ）について）
本発明において、Ｘ／Ｙは、後述のシミュレーションの結果に示したとおり、０．８〜１．２であることが好ましく、０．８５以上であることがより好ましく、０．９０以上であることがさらに好ましい。また、Ｘ／Ｙは、１．１５以下であることがより好ましく、１．１０以下であることがさらに好ましい。Ｘ／Ｙをこのように特定の範囲に制御することにより、レンズ３０からの出射光の放射角（ビームアングル）を十分に小さくでき、かつ、レンズ３０の出射面３２の直上に向けて出射される光の光量を十分に確保すること（光取り出し効率を高くすること）ができる。
【実施例】
【００２４】
＜シミュレーション＞
ＬＥＤ光源とレンズを備えた照明装置において、出射光の放射角（ビームアングル）と、レンズの出射面の直上に向けて出射された光の光量の、もとのＬＥＤ光源から出射された光の光量に対する比率（透過率）を解析するため、Ｌａｍｂｄａ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製ＴｒａｃｅＰｒｏ ｖｅｒ．７．２．７を用いてシミュレーションの計算を行った。図
５に、シミュレーションの条件を説明するための図を示し、図６に、本発明のビームアングルを説明するための図を示す。図６は、照明装置から出射された光の角度分布を表したもので、横軸は、レンズの正面方向を０度とした場合の出射角（単位は［Ｄｅｇｒｅｅｓ］ないし［度］）を示し、縦軸は、ＬＥＤ光源から出射された全放射束を１Ｗとした場合の、各出射角における放射強度（単位方位角あたりの放射束、単位は［Ｗ／ｓｒ］）を示す。なお、光の波長を５５０ｎｍとしてシミュレーションを行った。
【００２５】
（条件）
ＬＥＤ光源を、直径５ｍｍの円柱状の物体とみなし、円盤面全体から均一にＬａｍｂｅｒｔｉａｎに光が出射するものとした。また、出射光の放射束を１Ｗとし、５０万本の光線が飛び出すものとして計算した。なお、ＬＥＤ光源を構成する材料や、その表面に関するパラメータについては、計算上の定義を行わず、光学的に空気と同等の挙動を示すものとして計算した。
【００２６】
レンズのサイズは、高さ１１．４４ｍｍ（光軸方向）で最大直径２０ｍｍ（光軸と垂直方向）とし、レンズを構成する材料をポリカーボネートとみなして計算した（当該ポリカーボネートについて、５４６ｎｍの光に対する屈折率ｎを１．５９１として計算した）。
レンズの凹部の形状は、径を直径７．５ｍｍとして側方入射面がＲ３．７５ｍｍの半球面になるようにした。この場合に、ＬＥＤ光源の発光面の中心が、上記半球の中心と一致するようにＬＥＤ光源を配置した。また、レンズの凹部の形状に関して、上方入射面の直径（凸レンズの直径）を１ｍｍ〜６．４ｍｍの範囲で調整し、計算を行った。なお、上方入射面（凸レンズの凸面）はＲ７ｍｍの曲率を有するものとして、計算を行った（図５参照）。
【００２７】
（評価）
ビームアングル及び、レンズの出射面の直上に向けて出射された光の光量の、もとのＬＥＤ光源から出射された光の光量に対する比率（透過率）を計算しその結果を評価するため、直径２０ｍｍφの円盤状の受光器を、レンズの出射面の直上０．０６ｍｍの位置に設置し、そこを通過した光線の放射束及び出光角を比較した。具体的には、受光器を通過した放射束から、レンズの透過率を計算し、出光角分布の放射強度が最も高い値から、その強度が半分になる角度（法線に対して全角）をビームアングルとして記録した（図６参照）。
【００２８】
（解析結果）
Ｘ／Ｙに対するビームアングル及び透過率を計算した結果を表１に示す。
表１においては、ビームアングルが２３未満の場合を◎、２３以上２７未満の場合を○、２７以上の場合を△として判定した。また、透過率が８７以上の場合を◎、８２以下８７未満の場合を○、８２未満の場合を△として判定した。
【００２９】
【表１】
2015002025.tif 000003
【００３０】
本発明のＬＥＤ照明装置においては、ビームアングルが小さく、かつ、透過率（光取り出し効率）が大きいことが求められるところ、上記のとおり、Ｘ／Ｙが０．８〜１．２の範囲内の場合には、ビームアングルと透過率のいずれにも△がなく、いずれも◎、又は、いずれかが◎で一方が○であり、双方の特性を両立できることが判明した。
上記の優れた効果は、Ｘ／Ｙの値を上記範囲内に制御することによってなされたもので、上方入射面に直接入射する光に対して側方入射面に入射する光の光量を適切に確保することにより、ビームアングルの狭角化が図れ、かつ、上方入射面に直接入射する光の光量も適切に確保することにより、透過率（光取り出し効率）を高めることができたものと考えられる。
【００３１】
このように、ビームアングルが十分に小さく、かつ、光取り出し効率の高い、狭角配光又は中角配光のＬＥＤ照明装置を実現する場合において、Ｘ／Ｙの値を本願発明の範囲内にすることが有効である。
【符号の説明】
【００３２】
１０    照明装置
２０    ＬＥＤ光源
３０    レンズ
３１    入射面
３１ａ  上方入射面
３１ｂ  側方入射面
３２    出射面
３３    反射側面
３４    凹部
３５    つば部
【図１】
2015002025.tif 000004
【図２】
2015002025.tif 000005
【図３】
2015002025.tif 000006
【図４】
2015002025.tif 000007
【図５】
2015002025.tif 000008
【図６】
2015002025.tif 000009