(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に実装された発光色の異なる複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードの前方に、または前記複数の発光ダイオードを覆うように配置された略円錐形形状または略角錐形形状を有したレンズ部とを備え、前記レンズ部は空気で覆われており、前記レンズ部の屈折率をｎ１、前記レンズ部を覆っている前記空気の屈折率をｎ２、前記レンズ部の中心軸を含む断面の頂角をθとしたとき、ｃｏｓθ/２＞ｎ１/ｎ２なる関係を満たし、前記レンズ部の内面で全反射されて前記レンズ部の頂点部へ集光され、その後、前記レンズ部の頂点部から前記レンズ部の外部へ放射されることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記複数の発光ダイオードと前記レンズ部との間に配置され、かつ前記複数の発光ダイオードを覆う光透過性を有する第二部材を備え、前記複数の発光ダイオードからの放射光は、前記第二部材を透過して前記レンズ部に入射され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】
前記第二部材中には、平均粒子径１０μｍ〜１．０ｍｍの光拡散物質が添加されていることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
前記基板が樹脂、セラミックスまたは金属製の筐体内に配置されており、前記筐体は略漏斗形状をしており、当該筐体内壁に反射面があることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、従来の電球や蛍光ランプ等に代わる次世代光源として、高効率で長寿命な発光ダイオードを用いた照明装置が注目を浴びている。
【０００３】
そして、発光ダイオード単体の光出力は低いので、発光ダイオードを照明用途として用いるためには、例えば特開昭６１−２３７３０１号公報等に記載されているように、複数の発光ダイオード（ＬＥＤチップ）を集積化するとともに、発光ダイオードからの放射光を効率よく前方へ取り出すために反射板やレンズを設ける必要があった。レンズには複数の凸状レンズ部が形成されており、各レンズ部には発光ダイオードが一つ一つ配置されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の照明装置では、高照度化が実現できる一方、複数の発光ダイオードを用いた結果、照射面に色むらが生じるという問題があった。
【０００５】
つまり、設計上、同一色として作製した発光ダイオードであっても、作製した各発光ダイオードの発光色を比較すると、各々の発光ダイオードの発光色は製造上の品質のばらつきによって目視で認識できる程度にわずかに異なっている。そのため、各発光ダイオードからの放射光は、その特性として指向性を有することも加わって、レンズ部を透過した後、隣接する発光ダイオードからの放射光とほとんど混色することなく、照射面に現れる。よって、照射面に色むらが生じてしまうのである。
【０００６】
そして、このような色むらが発生する問題は、特に、発光色の異なる複数の発光ダイオードを用いた場合に顕著に現れ、各発光色を混色して例えば白色光を得ようとしても、十分に混光することができず、色むらが著しく生じるという問題があった。
【０００７】
本発明は、色むらが発生するのを防止することができ、よって均一光を得ることができる照明装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題が解決するための手段】
本発明の請求項１記載の照明装置は、基板上に実装された発光色の異なる複数の発光ダイオードと、前記複数の発光ダイオードの前方に、または前記複数の発光ダイオードを覆うように配置されたレンズ部とを備え、  前記レンズ部は空気で覆われており、前記レンズ部の屈折率をｎ１、前記レンズ部を覆っている前記空気の屈折率をｎ２、前記レンズ部の中心軸を含む断面の頂角をθとしたとき、ｃｏｓθ/２＞ｎ１/ｎ２なる関係を満たし、前記複数の発光ダイオードからの放射光は前記レンズ部内に入射された後、前記レンズ部の内面で全反射されて前記レンズ部の所定部分へ集光され、その後、このレンズ部の所定部分から前記レンズ部の外部へ放射される構成を有している。
【０００９】
これにより、複数の発光ダイオードからの放射光全てがレンズ部の所定部分に集中的に集光され、その所定部分から外部へ放射されるため、各々の発光ダイオードの発光色がわずかに異なっていても、各発光ダイオードからの放射光を共通のレンズ部内で十分混色させることができ、その結果、照明装置の照射面に色むらが発生するのを防止することができ、よって均一光を得ることができる。特に、発光色の異なる複数の発光ダイオードからの各々の放射光を混色させる場合においては、色むらの発生を著しく低減することができる。
【００１０】
なお、本発明でいう「全反射」するとは、発光ダイオードからの放射光のごく一部が前記レンズの内面を反射せず、透過する場合も含むものとする。
【００１１】
本発明の請求項２記載の照明装置は、前記複数の発光ダイオードと前記レンズ部との間に配置され、かつ前記複数の発光ダイオードを覆う光透過性を有する第二部材を備え、前記複数の発光ダイオードからの放射光は、前記第二部材を透過して前記レンズ部に入射される構成を有している。
【００１２】
これにより、発光色の異なる複数の発光ダイオードからの各々の放射光を混色させる場合においては、各発光ダイオードからの放射光をまず第二部材内で混色させることができるので、色むらの発生を一層防止することができ、より均一な光を得ることができる。
【００１３】
本発明の請求項３記載の照明装置は、前記第二部材中には、平均粒子径１０μｍ〜１．０ｍｍの光拡散物質が添加されている構成を有している。
【００１４】
これにより、各発光ダイオードからの放射光を第二部材内で混色させることができ、色むらの発生を一層防止することができ、一層均一な光を得ることができる。
【００１５】
本発明の請求項４記載の照明装置は、前記基板が樹脂、セラミックスまたは金属製の筐体内に配置されており、前記筐体は略漏斗形状をしており、当該筐体内壁に反射面がある構成を有している。
【００１６】
これにより、前記筐体の略漏斗形状の開口部からの直接光と前記筐体内壁の反射面からの反射光との合成光となって放射されることができる。
【００１７】
また、本発明の照明装置は、前記レンズ部が光透過性および熱伝導性を有する第一部材で覆われている構成を有している。
【００１８】
これにより、発光ダイオードから発生した熱を、レンズ部を介して第一部材へ放熱させることができるので、発光ダイオードが異常に加熱されるのを抑制することができ、その結果、発光ダイオードの発光効率が低下するのを防止することができるとともに、発光ダイオードの短寿命化を防止することができる。また、レンズ部の表面に傷等が付かないように保護することができるので、発光ダイオードからの放射光がレンズ部の内面で全反射されず、途中で透過してしまうのを防止することができる。
【００１９】
また、本発明の照明装置は、前記複数の発光ダイオードと前記レンズ部との間に配置され、かつ前記複数の発光ダイオードを覆う光透過性および熱伝導性を有する第二部材を備え、前記複数の発光ダイオードからの放射光は、前記第二部材を透過して前記レンズ部に入射される構成を有している。
【００２０】
これにより、発光ダイオードから発生した熱を第二部材へ放熱させることができるので、発光ダイオードが異常に加熱されるのを抑制することができ、その結果、発光ダイオードの発光効率が低下するのを防止することができるとともに、発光ダイオードの短寿命化を防止することができる。また、特に、発光色の異なる複数の発光ダイオードからの各々の放射光を混色させる場合においては、各発光ダイオードからの放射光をまず第二部材内で混色させることができるので、色むらの発生を一層防止することができ、より均一な光を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の照明装置は、前記第二部材中には光拡散物質が添加されている構成を有している。
【００２２】
これにより、特に、発光色の異なる複数の発光ダイオードからの各々の放射光を混色させる場合において、各発光ダイオードからの放射光を第二部材内でより一層混色させることができ、色むらの発生をより一層防止することができ、より一層均一な光を得ることができる。
【００２３】
さらに、本発明の照明装置は、前記基板が樹脂、セラミックスまたは金属製の筐体内に配置されており、前記第一部材または前記第二部材と前記筐体とは熱的に接続されている構成を有している。
【００２４】
これにより、発光ダイオードから発生した熱を、第一部材または第二部材、および筐体を介して外部へ放熱させることができるので、発光ダイオードが異常に加熱されるのを一層抑制することができ、その結果、発光ダイオードの発光効率が低下するのを一層防止することができるとともに、発光ダイオードの短寿命化を一層防止することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２６】
本発明の第１の実施の形態である照明装置は、図２に示すように、全長Ｌが７５ｍｍ、最大外径Ｒが９０ｍｍであり、一端部に直径８５ｍｍの開口部１を有し、かつ外形形状が略漏斗形状をしたガラス製、セラミック製または金属製の筐体２と、この筐体２の他端部に取り付けられたＥ形口金３と、筐体２内の空間をその中心軸Ｘ（図２参照）に対して垂直に仕切って第一空間４および第二空間５の二つの空間を形成するように配置された発光ユニット６とを備えている。
【００２７】
筐体２の開口部１には、図示していないが必要に応じて透光性の前面カバーを設けてもよい。前面カバーは着色されていてもよく、またレンズ効果を有していてもよい。
【００２８】
第一空間４側の筐体２の内面には、例えば白色塗装された反射面７が形成されている。反射面７の形状には、必要に応じて種々の形状を用いることができるが、例えば回転放物面や回転楕円面等の二次曲面を用いることが好ましい。
【００２９】
発光ユニット６は、外周部が筐体２の内面に設置されている直径５０ｍｍの円板状の樹脂製基板８と、筐体２の第一空間４側に面する基板８の表面上にマトリックス状に実装された発光色の異なる複数の発光ダイオード９と、この発光ダイオード９を覆うように配置された底面の直径２ｍｍ、高さ２．５ｍｍの略円錐形形状を有した複数のレンズ部１０と、筐体２の第二空間５側に面する基板８の表面上に配置され、かつ発光ダイオード９を駆動するための駆動回路１１とを有している。
【００３０】
発光ユニット６からの放射光は、筐体の開口部１から直接光と筐体２の反射面７に反射した反射光との合成光となって放射される。
【００３１】
発光ダイオード９には、ベアチップを用いた。
【００３２】
レンズ部１０は、例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラス等からなる。
【００３３】
また、レンズ部１０は、図１に示すように、その屈折率をｎ1、その中心軸Ｙを含む断面の頂角をθ、レンズ部１０を覆っている物質の屈折率をｎ2とした場合、ｃｏｓθ／２＞ｎ2／ｎ1なる関係を満たしている。つまり、レンズ部１０内に入射された各発光ダイオード９からの放射光は、レンズ部１０の内面で全反射されてレンズ部１０の頂点部１２へ集光され、その後、レンズ部１０の頂点部１２からレンズ部１０の外部へあらゆる方向に放射される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、レンズ部１０を覆っている物質は空気であり、したがってその屈折率ｎ2は１である。
【００３５】
なお、図１中、矢印は光の進行方向を示す。
【００３６】
本実施の形態においては、図３に示すように、赤色（図中、記号「Ｒ」で示す）、緑色（図中、記号「Ｇ」で示す）、青色（図中、記号「Ｂ」で示す）、および黄色（図中、記号「Ｙ」で示す）の４個の発光ダイオード９が一つのユニットを形成して、共通のレンズ部１０で覆われている。そして、発光色の異なる各々の発光ダイオード９からの放射光はレンズ部１０内で混色され、白色光としてレンズ部１０の外部へ放射される。
【００３７】
なお、５個以上の発光ダイオード９、例えば図４に示すように赤色、緑色、青色、および黄色の４個の発光ダイオード９からなるユニットが４つ、共通のレンズ部１０に覆われていてもよい。また、照明装置の使用目的に応じて各色の発光ダイオード９を自由に組み合わせることができ、例えば単色光が必要であれば同一色の発光ダイオード９を複数個用いてもよい。
【００３８】
以上のような本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、複数の発光ダイオード９からの放射光が全てレンズ部１０の頂点部１２に集中的に集光され、その頂点部１２から外部へ放射されるため、各々の発光ダイオード９の発光色がわずかに異なっていても、各発光ダイオード９からの放射光を共通のレンズ部１０内で十分混色させることができ、その結果、照明装置の照射面に色むらが発生するのを防止することができ、よって均一光を得ることができる。特に、発光色の異なる複数の発光ダイオード９からの各々の放射光を混色させる場合においては、色むらの発生を著しく低減することができる。
【００３９】
次に、本発明の第２の実施の形態である照明装置は、図５および図６に示すように、レンズ部１３が底面２ｍｍ×２ｍｍ、高さ２．５ｍｍの略四角錐形状を有している点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を備えている。
【００４０】
レンズ部１３は、図５に示すように、その屈折率をｎ1、その中心軸Ｙ（図５参照）を含む任意の断面の頂角をθ、レンズ部１３を覆っている物質の屈折率をｎ2とした場合、ｃｏｓθ／２＞ｎ2／ｎ1なる関係を満たしている。つまり、レンズ部１３内に入射された発光ダイオード９からの放射光は、レンズ部１３の内面で全反射されてレンズ部１３の頂点部１４へ集光され、その後、レンズ部１３の頂点部１４からレンズ部１３の外部へあらゆる方向に放射される。
【００４１】
なお、本実施の形態では、レンズ部１３を覆っている物質は空気であり、したがって屈折率ｎ2は１である。
【００４２】
以上のような本発明の第２の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の作用効果と同様に、発光ダイオード９からの放射光がレンズ部１３の頂点部１４に集中的に集光され、その頂点部１４から外部へ放射されるため、各々の発光ダイオード９の発光色がわずかに異なっていても、各発光ダイオード９からの放射光を共通のレンズ部１３内で十分混色させることができ、その結果、照明装置の照射面に色むらが発生するのを防止することができ、よって均一光を得ることができる。特に、発光色の異なる複数の発光ダイオード９からの各々の放射光を混色させる場合においては、色むらの発生を著しく低減することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、略四角錐形状のレンズ部１３を用いた場合について説明したが、形状はこれに限らず、例えば略三角錐形状や略五角錐形状のレンズ部を用いた場合でも上記と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
次に、本発明の第３の実施の形態である照明装置は、図７に示すように、発光ダイオード９からの放射光が集光するレンズ部１５の所定部分、すなわち頂点部１６が例えば凸状の曲面を有している点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を有している。
【００４５】
以上のような本発明の第３の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の作用効果に加えて、特に、レンズ部１５の頂点部１６から放射される光をあらゆる方向に拡散させることができ、照明装置の照射面に照度むらが発生するのを防止することができる。また、頂点部の形状が鋭利な場合に比して、その成形がしやすい。
【００４６】
なお、本実施の形態では、略円錐形形状のレンズ部１５の頂点部１６が凸状の曲面を有している場合について説明したが、上記本発明の第２の実施の形態で説明したような略角錐形形状のレンズ部の頂点部が例えば凸状の曲面である場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
次に、本発明の第４の実施の形態である照明装置は、図８に示すように、発光ダイオード９からの放射光が集光するレンズ部１７の所定部分、すなわち頂点部１８が例えば半径０．８ｍｍの略球体形状を有している点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を有している。
【００４８】
以上のような本発明の第４の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の作用効果に加えて、特に、レンズ部１７の頂点部１８から放射される光をあらゆる方向に一層拡散させることができ、照明装置の照射面に照度むらが発生するのを一層防止することができる。
【００４９】
なお、本実施の形態では、略円錐形形状のレンズ部１７の頂点部１８が略球体形状を有している場合について説明したが、上記本発明の第２の実施の形態で説明したような略角錐形形状のレンズ部の頂点部が略球体形状を有している場合においても、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
次に、本発明の第５の実施の形態である照明装置は、図９に示すように、レンズ部１０が光透過性および熱伝導性を有する例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、またはシリコーン樹脂等からなる第一部材１９で覆われている点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を有している。
【００５１】
レンズ部１０の屈折率をｎ1、その頂角をθ、第一部材１９の屈折率をｎ2とした場合、ｃｏｓθ／２＞ｎ2／ｎ1なる関係を満たしている。
【００５２】
筐体２（図９には図示せず）と第一部材１９とは、熱的に接続されていることが好ましく、これによって発光ダイオード９から発生した熱を、筐体２および第一部材１９を介して外部へ放熱させることができるので、発光ダイオード９が異常に加熱されるのを抑制することができ、その結果、発光ダイオード９の発光効率が低下するのを防止することができるとともに、発光ダイオード９の短寿命化を防止することができる。
【００５３】
以上のような本発明の第５の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の作用効果に加えて、特に、発光ダイオード９から発生した熱を、レンズ部１０を介して第一部材１９へ放熱させることができるので、発光ダイオード９が異常に加熱されるのを抑制することができ、その結果、その異常加熱によって、発光ダイオード９の発光効率が低下するのを防止することができるとともに、発光ダイオード９の短寿命化を防止することができる。また、レンズ部１０の表面に傷等が付かないように保護することができるので、発光ダイオード９からの放射光がレンズ部１０の内面で全反射されず、途中で透過してしまうのを防止することができる。
【００５４】
次に、本発明の第６の実施の形態である照明装置は、図１０に示すように、レンズ部１０が発光ダイオード９の前方に配置されているとともに、発光ダイオード９が発光ダイオード９とレンズ部１０との間に配置された光透過性および熱伝導性を有する例えばアクリル樹脂、エポキシ樹脂、またはシリコーン樹脂等からなる第二部材２０で覆われている点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を有している。
【００５５】
発光ダイオード９からの放射光は、第二部材２０を透過した後、レンズ部１０内に入射される。
【００５６】
第二部材２０の厚みは、発光ダイオード９からの全放射光をレンズ部１０内へ入射することができる程度の厚さにすることが好ましい。
【００５７】
第二部材２０中には、光拡散物質として、平均粒子径１０μｍ〜１．０ｍｍの有機物や無機物、例えばシリカ（図示せず）が添加されていることが好ましく、これによって各発光ダイオード９からの放射光を第二部材２０内で混色させることができ、色むらの発生を一層防止することができ、一層均一な光を得ることができる。
【００５８】
また、筐体２（図１０には図示せず）と第二部材２０とは、熱的に接続されていることが好ましく、これによって発光ダイオード９から発生した熱を、筐体２および第二部材２０を介して外部へ放熱させることができるので、発光ダイオード９が異常に加熱されるのを抑制することができ、その結果、発光ダイオード９の発光効率が低下するのを防止することができるとともに、発光ダイオード９の短寿命化を防止することができる。
【００５９】
以上のような本発明の第６の実施の形態にかかる照明装置の構成によれば、本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置の作用効果に加えて、特に、発光ダイオード９から発生した熱を第二部材２０へ放熱させることができるので、発光ダイオード９が異常に加熱されるのを一層抑制することができ、その結果、発光ダイオード９の発光効率が低下するのを一層防止することができるとともに、発光ダイオード９の短寿命化を一層防止することができる。また、特に、発光色の異なる複数の発光ダイオード９からの各々の放射光を混色させる場合においては、各発光ダイオード９からの放射光をまず第二部材２０内で混色させることができるので、色むらの発生を一層防止することができ、より均一な光を得ることができる。
【００６０】
次に、本発明の効果を確認した実験例について説明する。
【００６１】
本発明の第１の実施の形態にかかる照明装置（以下、「本発明品」という）において、照明装置の照射面（開口部１の開口面）の色度分布を測定したところ、次のとおりの結果が得られた。
【００６２】
なお、レンズ部１０には、屈折率ｎ1が１．６１、頂角θが３０°のアクリル樹脂を用いた。
【００６３】
また、比較のため、レンズ部に従来の砲弾型のレンズを用いている点を除いて本発明の第１の実施の形態である照明装置と同じ構成を有している照明装置（以下、「比較品」という）についても、本発明品と同じ条件で光の取り出し効率および照明装置の照射面の色度分布を測定した。
【００６４】
なお、色度分布は、色彩輝度計（ＴＯＰＣＯＮ製、ＢＭ−７）を用いて測定した。さらに、以下に示す記号Δｘ、Δｙは色度ｘ、ｙの最大値と最小値との差をそれぞれ表す。
【００６５】
本発明品では、Δｘが０．１２２、Δｙが０．１２５であった。一方、比較品では、Δｘが０．４２０、Δｙが０．４０３であった。このように本発明品におけるΔｘおよびΔｙは、比較品のΔｘおよびΔｙに比して約７０％低減されることがわかった。
【００６６】
したがって、本発明品は、色むらの発生を著しく低減することができることが確認された。
【００６７】
なお、上記第２〜第６の実施の形態にかかる照明装置についても、本発明品と同様の効果が得られた。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、色むらが発生するのを防止することができ、よって均一光を得ることができる照明装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【図２】同じく照明装置の一部切欠正面図
【図３】同じく照明装置の要部拡大図
【図４】同じく照明装置の要部拡大図
【図５】本発明の第２の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【図６】同じく照明装置の要部拡大図
【図７】本発明の第３の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【図８】本発明の第４の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【図９】本発明の第５の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【図１０】本発明の第６の実施の形態である照明装置の要部拡大図
【符号の説明】
１  開口部
２  筐体
３  口金
４  第一空間
５  第二空間
６  発光ユニット
７  反射面
８  基板
９  発光ダイオード
１０，１３，１５，１７  レンズ部
１１  駆動回路
１２，１４，１６，１８  頂点部
１９  第一部材
２０  第二部材
【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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