(57)【要約】【課題】光源から照射された光を反射及び屈折させて拡散放射する光学部材を備えた発光モジュールにおいて、低コストで均一な面発光を可能とする。【解決手段】発光モジュール１は、基板２と、基板２上に設けられた発光素子３と、基板２に対する発光素子３の略中心を通る法線Ｌを軸とする略回転体形状から成る光学部材４と、を備える。光学部材４のうち、基板２への取付面と反対側の面は発光素子３からの光を反射する反射面４１とされ、光学部材４の外周面は反射面４１からの光を透過する透過面４２とされる。また、透過面４２を透過した光が照射される基板２上の面が拡散反射面２１とされている。発光素子３からの光は反射面４１により反射された後、透過面４２により屈折・透過して、拡散反射面２１に到達して高効率で拡散反射されるので、看者に対して拡散反射面２１全体が均一に面発光しているように見せることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に設けられた発光素子と、前記基板に対する前記発光素子の略中心を通る法線を軸とする略回転体形状から成る光学部材と、を備えた発光モジュールであって、
前記光学部材のうち、前記基板への取付面と反対側の面は、前記発光素子から照射された光を反射する反射面を含む面とされ、
前記光学部材の外周面は、前記反射面からの光を透過する透過面とされ、
前記基板と略平行であって前記透過面を透過した光が照射される面が拡散反射面とされていることを特徴とする発光モジュール。
【請求項２】
前記反射面を含む面のうち、前記法線の近傍部は、前記発光素子の光を前記法線と略平行な方向に屈折して透過させる屈折面となるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
【請求項３】
前記反射面を含む面は、前記法線から外周方向に向かうに連れて、前記基板との距離が増加するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光モジュール。
【請求項４】
前記透過面は、前記法線から外周方向に向かうに連れて、前記基板との距離が増加するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光モジュール。
【請求項５】
前記屈折面の形状が、前記法線を含む断面において、該断面の一端部から他端部まで、前記基板との距離が単調増加又は単調減少となるような形状を含むように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の発光モジュール。
【請求項６】
前記反射面の形状が、前記法線を軸とした略回転対称であり、前記反射面の断面形状が、前記発光素子の略中心又はその近傍を焦点とする放物線又は放物線の近似曲線の一部を含み、
前記透過面の断面形状が、前記拡散反射面上又はその近傍の点を焦点とする双曲線又は双曲線の近似曲線の一部を含むように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のモジュール。
【請求項７】
前記反射面は、全反射面とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光モジュール。
【請求項８】
前記拡散反射面は、前記基板と略平行であって、前記発光素子を略中心とした略同心円状に階段状に構成され、かつ、１／２ビーム角が略３０〜６０°となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源から照射された光をレンズにより反射及び屈折させて拡散放射する発光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、看板照明等には面発光が可能な照明機材が用いられている。しかし、発光素子のみで均一な面発光を実現するには多数の発光素子を密に並べる必要がありコスト高となってしまう。そこで、例えば、特許文献１に示されるように、ＬＥＤ等の光源から照射された光をレンズ等の光学部材により反射及び屈折させて拡散放射することにより、広範囲に光を照射できるようにした発光装置がある。この発光装置は、光源を封止する樹脂レンズの前方界面に、光源から照射された光を直接外部へ出射させる出射領域及び光を全反射させる全反射領域が設けられ、樹脂レンズの背面には、凹面鏡状をした光反射部が設けられていて、光源から照射された光の一部は、出射領域を通過して前方へ出射され、他の光は、全反射領域で全反射された後、光反射部で反射され、全反射領域から前方へ出射されるようにしたことにより、光源からの光が樹脂レンズ全面から広範囲に照射されるようにしたものである。
【０００３】
また、特許文献２に示されるように、ＬＥＤの外側に光学的に接合されたリング状の光学部材及びこの光学部材の外周に配置された反射部材を備え、ＬＥＤから上方に向けて照射された光が光学部材の反射面で反射して略水平方向に放射され、これらの光が反射部材によって略垂直方向へ反射されるようにした発光装置がある。
【特許文献１】特開２００２−９４１２９公報
【特許文献２】特開２００４−８８００７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に示される発光装置においては、樹脂レンズ面が発光面となっているため、均一な面発光を実現するには、大型のレンズを必要とする。大型のレンズは成形が難しく、所望の光学特性を達成するには高度なレンズ加工技術を必要し、コスト高を招く虞がある。
【０００５】
また、特許文献２に示される発光装置においては、光学部材から略水平方向に放射された光を反射部材が略垂直方向へ効率的に反射できるようにするために、光学部材の形状に対応した特定の反射部材を採用する必要があるので、汎用性に優れた発光モジュールの製造には適していない。また、反射部材で反射された光によって、均一な面発光を実現するには、別途の拡散反射部材を設ける必要があるのでコスト高の要因となる。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するものであり、光源から発せられた光を広範囲に照射することができる小型の光学部材を用いることにより、低コストで均一な面発光を可能とする発光モジュール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】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、基板と、前記基板上に設けられた発光素子と、前記基板に対する前記発光素子の略中心を通る法線を軸とする略回転体形状から成る光学部材と、を備えた発光モジュールであって、前記光学部材のうち、前記基板への取付面と反対側の面は、前記発光素子から照射された光を反射する反射面を含む面とされ、前記光学部材の外周面は、前記反射面からの光を透過する透過面とされ、前記基板と略平行であって前記透過面を透過した光が照射される面が拡散反射面とされているものである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の発光モジュールにおいて、前記反射面を含む面のうち、前記法線の近傍部は、前記発光素子の光を前記法線と略平行な方向に屈折して透過させる屈折面となるよう構成されているものである。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発光モジュールにおいて、前記反射面を含む面は、前記法線から外周方向に向かうに連れて、前記基板との距離が増加するように構成されているものである。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の発光モジュールにおいて、前記透過面は、前記法線から外周方向に向かうに連れて、前記基板との距離が増加するように構成されているものである。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項２に記載の発光モジュールにおいて、前記屈折面の形状が、前記法線を含む断面において、該断面の一端部から他端部まで、前記基板との距離が単調増加又は単調減少となるような形状を含むように構成されているものである。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のモジュールにおいて、前記反射面の形状が、前記法線を軸とした略回転対称であり、前記反射面の断面形状が、前記発光素子の略中心又はその近傍を焦点とする放物線又は放物線の近似曲線の一部を含み、前記透過面の断面形状が、前記拡散反射面上又はその近傍の点を焦点とする双曲線又は双曲線の近似曲線の一部を含むように構成されているものである。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の発光モジュールにおいて、前記反射面は、全反射面とされているものである。
【００１４】
請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の発光モジュールにおいて、前記拡散反射面は、前記基板と略平行であって、前記発光素子を略中心とした略同心円状に階段状に構成され、かつ、１／２ビーム角が略３０〜６０°となるように構成されているものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、発光素子から発せられた光は反射面により反射された後、透過面を屈折・透過して、拡散反射面に到達して高効率で拡散反射されるので、看者に対して、拡散反射面のうち、光学部材から放出された光が到達した範囲全体が面発光しているように見せることができる。また、小型の光学部材であっても、拡散反射面の比較的広い範囲に光を到達させることができるので、大型レンズ等を用いることなく、低コストで面発光が可能な発光モジュールとすることができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、屈折面へ入射した光が上記の法線と略平行な方向へ屈折・透過されるので、光学部材のうち、反射面を含む面も発光しているように見え、看者に対して発光モジュール全体が均一に面発光しているように見せることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、発光素子から照射された光の反射面に対する入射角が大きくなり、反射角も大きくなるので、光を光学部材から遠くにまで到達させることが可能となり、拡散反射面の広い範囲を発光させることができる。また、反射面で反射された光の透過面に対する入射角が小さくなるので、光学部材内へ反射する光が少なくなり、透過面におけるフルネル反射や全反射による光の反射損失を低減することができる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、反射面で反射された光の透過面に対する入射角がより小さくなるので、透過面におけるフルネル反射や全反射による光の反射損失を更に低減することができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、発光素子から出射され、屈折面へ入射した光は、屈折面の形状のうち、基板との距離が単調増加する方向へ屈折・透過されるようになる。すなわち、光学部材の取付方向により、特定の方向に対して屈折面から照射される光量を多くすることが可能となる。
【００２０】
請求項６の発明によれば、反射面で反射された光を拡散反射面の略同心円状の狭い範囲に集光することができ、看者に対して略同心円状の発光面を視認させることができる。
【００２１】
請求項７の発明によれば、反射面に蒸着膜を形成する必要がなくなるので、製造コストを削減することができ、反射面で外光が反射されて生じるグレアも抑制される。
【００２２】
請求項８の発明によれば、拡散反射面で反射される光を基板の法線方向を中心とする３０〜６０°の範囲に効率的に照射することができるので、設置環境に応じた発光面の仕様が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の第１の実施形態に係る発光モジュールについて、図１を参照して説明する。発光モジュール１は、基板２と、この基板２上に設けられた発光素子３と、基板２に対する発光素子３の略中心を通る法線Ｌを軸とする略回転体形状から成る光学部材４と、を備える。上記の光学部材４のうち、基板２への取付面と反対側にある面は、発光素子３から照射された光を反射する反射面４１を含む面４０とされ、光学部材４の外周面は、反射面４１からの光を透過する透過面４２となるよう構成されている。また、基板２と略平行であって透過面４２を透過した光が照射される面は拡散反射面２１となるよう構成されている。以下、各構成要素を詳細に説明する。
【００２４】
基板２は、汎用のプリント基板であり、寸法安定性に優れ、反りやねじれ等のバラツキの少ない基板が用いられる。この基板２の裏には、発光素子３から発せられる熱を効率よく放熱するため、銅等の放熱性の高い材料が用いられた適宜のヒートシンク等（図示せず）が装着される。基板２の材料としては、例えば、ガラスクロス（布）を重ねたものにエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基板等が用いられる。
【００２５】
拡散反射面２１は、基板２上にアクリルやウレタン系の白色塗料を吹き付けたものが好ましいが、全反射率が略８０％以上でとなり、略拡散特性の光学特性を有するものであれば特に限定はない。なお、基板２の表面全体が拡散反射面２１となっていてもよく、また、光学部材４により反射された光が照射される面の部分のみが拡散反射面２１となっていてもよい。
【００２６】
発光素子３は、例えば、青色ＬＥＤと、３８０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長帯域の光を４８０ｎｍ〜７８０ｎｍの光へ変換するＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  Ｇａｒｎｅｔ）系蛍光体やＢＯＳ（Ｂａｒｉｕｍ  ｏｒｔｈｏ−Ｓｉｌｉｃａｔｅ）系蛍光体等を含むシートと、を組み合わせた白色ＬＥＤが用いられる。また、本実施形態においては、上記のＬＥＤに限らず、可視光を発生させるものであれば、例えば、小型白熱灯、小型のハロゲン電球等も使用可能である。また、発光素子３の発光面の形状についても特に制限はなく、光学部材４に埋め込まれたものであってもよい。
【００２７】
光学部材４は、基板２への取付面と反対側にある面４０が、発光素子３から照射された光を反射する反射面４１を含むものであり、本実施形態においては、基板２に対して略平行な面形状となるよう構成されている。また、光学部材４の外周面が、反射面４１からの光を透過して基板２側へ放射する透過面４２となっている。この光学部材４の材料には、ポリカーボネード、アクリル、シリコン、エポキシ等のプラスチック又はガラス等が用いられる。また、光学部材４は、発光素子３と光学部材４との位置関係を保ち、所望の配光を得るためのレンズホルダ（図示せず）を更に備え、このレンズホルダは基板２又は発光モジュール１を格納するための筐体（図示せず）に固定される。
【００２８】
本実施形態の発光モジュール１においては、基板２への取付面と反対側にある面４０の全体が反射面４１に該当する。また、反射面４１の表面は、必要に応じて銀やアルミ等を蒸着又はスパッタ等の処理が施されることにより、略８０〜１００％の反射率を確保するように構成されている。また、反射面４１は、光学部材４のサイズの制約等がなければ、蒸着処理等の必要がない全反射面としてもよく、その場合、反射率は１００％となる。
【００２９】
透過面４２は、光学部材４が装着されている拡散反射面２１のどの程度の範囲に光を照射させるかによって、設計者が適宜にその構成を決定するものであるが、本実施形態においては、基板２に対して垂直な円筒形状となるように構成されている。
【００３０】
上記のように構成された本実施形態の発光モジュール１によれば、発光素子３から照射された光は、反射面４１により反射され、点線で示すように、透過面４２へ到達し、この透過面４２を屈折・透過した後、拡散反射面２１により拡散反射される（拡散反射光が出ている様子を点線円で示している）。その結果、発光モジュール１は、看者に対して拡散反射面２１全体が面発光しているように見せることができる。
【００３１】
また、光学部材４は小型のものであっても、拡散反射面２１の比較的広い範囲に光を到達させることができるので、大型レンズ等を用いることなく、低コストで面発光が可能な発光モジュール１を製造することができる。更に、拡散反射面２１の形状等についても特に限定はなく、汎用性に優れた発光モジュール１の製造が可能となる。
【００３２】
なお、反射面４１を全反射面とすると、蒸着膜を形成する必要がなくなるので、製造コストを削減することできるだけでなく、発光モジュール１が屋外の看板照明に用いられたときには、外光が反射されて生じるグレアを抑制されるようになる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る発光モジュールについて、図２を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、光学部材４における反射面４１を含む面４０のうち、法線Ｌの近傍部が、発光素子３からの光を、この法線Ｌと略平行な方向に屈折して透過させる屈折面４３となるよう構成されている。なお、基板２、拡散反射板２１、発光素子３及び透過面４２は、上記第１の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００３４】
本実施形態の発光モジュール１においては、基板２への取付面と反対側の面４０のうち、上記の反射面４１が構成されていない面が屈折面４３に該当する。また、屈折面４３の形状は、発光モジュール１の使用において、要求される輝度値により適宜に設計される。例えば、比較的低輝度の発光でよい場合には凹面形状に、高輝度の発光が要求される場合には凸形状に加工形成される。
【００３５】
本実施形態によれば、発光素子３から照射された光のうち、屈折面４３へ入射した光は、屈折面４３により屈折・透過して法線Ｌと略平行な方向へ放射される。そのため、本実施形態の発光モジュール１は、光学部材４のうち、反射面４１を含む面も発光しているように見えるので、看者に対して発光モジュール１全体が面発光しているように見せることができ、特に、法線Ｌ方向に対して、高輝度の発光が可能となる。
【００３６】
次に、本発明の第３の実施形態に係る発光モジュールについて、図３を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、光学部材４における反射面４１を含む面４０が、法線Ｌから外周方向に向かうに連れて、基板２との距離が増加するように構成されている。なお、基板２、拡散反射板２１、発光素子３及び透過面４２は、上記第１の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００３７】
上記第１及び第２の実施形態の発光モジュール１においては、発光素子３から照射された光のうち、反射面４１に対する入射角の小さな光の一部は、基板２方向へと反射され、有効光として利用されないことがある。また、反射面４１で反射された光のうち、透過面４２に対する入射角の大きな光の一部は透過面４２で全反射されてしまい、有効光として利用されないことがある。それに対して、この第３の実施形態の発光モジュール１においては、発光素子３から照射された光の反射面４１に対する入射角が大きくなり、反射角も大きくなるので、発光素子３から照射された光は、水平方向に近い角度へ反射されることになる。そのため、反射面４１で反射された光の透過面４２に対する入射角が小さくなり、透過面４２で光学部材４内へ反射する光が少なくなり、透過面４２におけるフルネル反射や全反射による光の反射損失を低減することができる。更に、反射面４１で反射された光は、光学部材４から遠くにまで到達するようになるので、拡散反射面２１の広い範囲を発光させることができる。
【００３８】
次に、本発明の第４の実施形態に係る発光モジュールについて、図４を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、透過面４２が、法線Ｌから外周方向に向かうに連れて、基板２との距離が増加するように構成されている。なお、基板２、拡散反射板２１、発光素子３及び反射面４１は、上記第３の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００３９】
本実施形態の発光モジュール１によれば、反射面４１で反射された光の透過面４２に対する入射角が、上記第３の実施形態よりも更に小さくなるので、透過面４２におけるフルネル反射や全反射による光の反射損失をより低減させることができ、透過面４２を透過する光量が多くなることにより、発光モジュール１を高輝度で発光させることが可能となる。
【００４０】
次に、本発明の第５の実施形態に係る発光モジュールについて、図５（ａ）（ｂ）及び図６を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、屈折面４３の形状が、法線Ｌを含む断面において、この断面の一端部から他端部まで、基板２との距離が単調増加又は単調減少となるような形状を含むように構成されている。また、屈折面４３のうち、基板２との距離が単調増加又は単調減少となっている面は、凸状に湾曲した形状となっている。なお、基板２、拡散反射板２１、発光素子３及び反射面４１は、上記第２の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００４１】
本実施形態の発光モジュール１においては、発光素子３から屈折面４３へ入射した光は、図５（ａ）に示されるように、屈折面４３の形状のうち基板２との距離が単調増加する方向へ屈折・出射されるようになる。すなわち、本実施形態の発光モジュール１は、光学部材４の取付方向により、特定の方向に対して屈折面４３から照射される光量を多くすることを可能とする。
【００４２】
また、本実施形態の発光モジュール１は、図６に示されるように、看者Ａの目線よりも高い位置に設置された看板照明Ｂに設置されることが想定される。このとき、発光モジュール１が地面方向へ照射される光量が多くなする取付方向に設定されることにより、看者Ａの居る方向に対して高輝度の発光が可能となる。なお、本実施形態の発光モジュール１の変形例として、図７に示されるように、屈折面４３のうち、基板２との距離が単調増加又は単調減少となっている面が平面となるように構成してもよい。
【００４３】
次に、本発明の第６の実施形態に係る発光モジュールについて、図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、反射面４１の形状が、法線Ｌを軸とした略回転対称であり、反射面４１の断面形状が、発光素子３の略中心又はその近傍を焦点とする放物線又は放物線の近似曲線の一部を含み、また、透過面４２の断面形状が、拡散反射面２１上又はその近傍の点を焦点とする双曲線又は双曲線の近似曲線の一部を含むように構成されている。なお、基板２、拡散反射板２１、発光素子３及び屈折面４３等は、上記第２の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００４４】
本実施形態の発光モジュール１によれば、反射面４１で反射させた光を拡散反射面２１上の略同心円状の狭い範囲に集光することができ、図８（ｂ）に示されるように、看者に対して略同心円状の発光面（図中の斜線部）を視認させることができる。なお、同図において屈折面４３から照射される光については図示を省略している。
【００４５】
次に、本発明の第７の実施形態に係る発光モジュールについて、図９を参照して説明する。本実施形態の発光モジュール１は、拡散反射面２１が、基板２と略平行であって、発光素子３を略中心とした略同心円状に階段状に構成されていて、かつ、１／２ビーム角が略３０〜６０°となるように構成されている。なお、発光素子３、反射面４１及び透過面４２等は、上記第２の実施形態の発光モジュール１と同様である。
【００４６】
また、拡散反射面２１にはアルミニウム等に化学、研磨アルマイト処理及びショット処理等を施した処理面が使用される。拡散反射面２１の形状は、透過面４２から照射される光の光軸を中心とした方向に反射するように形成される。
【００４７】
本実施形態の発光モジュール１によれば、拡散反射面２１で反射される光を効率的に看板面の法線方向を中心とする３０〜６０°の範囲に効率的に照射することができ、設置環境に応じた発光面の仕様が可能となる。
【００４８】
なお、本発明は、発光素子３から発せられた光を光学部材４により基板２上の拡散反射面２１へ向けて反射することにより、看者に対して光学部材４及び拡散反射面２１全体が面発光しているように視認させるものであれば、上記の構成に限られるものではなく、また、光学部材４や拡散反射面２１の形状においても種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発光モジュールの断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る発光モジュールの断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る発光モジュールの断面図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る発光モジュールの断面図。
【図５】（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る発光モジュールの断面図、（ｂ）は同発光モジュールの光学部材の斜視図、
【図６】上記発光モジュールの看板照明としての使用状態を示す側面図。
【図７】上記発光モジュールの変形例の断面図。
【図８】（ａ）は本発明の第６の実施形態に係る発光モジュールの断面図、（ｂ）は同発光モジュールの使用状態における上面図。
【図９】本発明の第７の実施形態に係る発光モジュールの断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１    発光モジュール
２    基板
２１    拡散反射面
３    発光素子
４    光学部材
４０    反射面を含む面
４１    反射面
４２    透過面
４３    屈折面
Ｌ    基板に対する発光素子の略中心を通る法線
【図１】
2008053660.tif 000003
【図２】
2008053660.tif 000004
【図３】
2008053660.tif 000005
【図４】
2008053660.tif 000006
【図５】
2008053660.tif 000007
【図６】
2008053660.tif 000008
【図７】
2008053660.tif 000009
【図８】
2008053660.tif 000010
【図９】
2008053660.tif 000011