(57)【要約】【課題】正しく必要な照射領域内に光が照射され、輪郭ボケの無いキレの良い配光を、投影レンズサイズを大型化することなく照度を高めたＬＥＤ照明用光学モジュール及び照明用光学モジュールを用いた局部照明灯具を提供する。【解決手段】  ＬＥＤ光源（２）と、横長形状のスリットが設けられたガイドマスク部材（３）と、焦点をスリット近傍に位置する投影レンズ（４）とを備える。投影レンズ（４）はＬＥＤ光源に対向する入射面（２０）と、円筒形状の中央部出射面（２１ａ）および両側方の円球状出射面（２１ｂ，２１ｃ）からなる。これにより、輪郭ボケの無い高い照度の照明灯具とする。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源からの出射光を通す横長形状のスリットが設けられたガイドマスク部材と、焦点が前記スリット近傍に位置する投影レンズとを備え、
前記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子とＬＥＤ素子の周囲に設けた反射壁とＬＥＤ素子を覆うモールド層とを有し、ＬＥＤ光源の出射面を平坦状とした横長矩形形状であり、
前記投影レンズは、前記ＬＥＤ光源に対向する入射面と、円筒形状の中央部出射面および中央部出射面の両端側方の円球状出射面からなる連接出射面と、を備え、
前記ＬＥＤ光源の長手方向と、前記スリットの長手方向と、前記中央部出射面の中心軸方向とが、平行であることを特徴とするＬＥＤ照明用光学モジュール。
【請求項２】
前記ＬＥＤ光源の出射面の長手方向の幅と、前記中央部出射面の幅が同じであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明用光学モジュール。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の照明用光学モジュールが、光軸が所定の距離を半径とする円弧の中心へ向かうように角度をつけて筐体に複数取り付けられたことを特徴とする局部照明用灯具。
【請求項４】
前記距離における配光サイズが所望の配光サイズよりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の局部照明灯具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた照明ユニット、特に対象物に影を与えるないで局部照明を行う局部照明装置用のＬＥＤ照明用光学モジュールおよび照明用光学モジュールを用いた局部照明灯具に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーの観点からＬＥＤ光源を用いた照明装置が実用化されている。ＬＥＤ照明用の光源には、一般に可視域に発光スペクトルを有するＬＥＤ光源が用いられ、赤外線および紫外線を含まない発光スペクトルのＬＥＤ素子を用いる。それゆえ、照射光に赤外線を含まないことから、対象物に熱エネルギーを与えたくない用途などにおいて、白熱光源を用いた照明装置からＬＥＤ光源を用いた照明装置への転換が進んでいる。
【０００３】
また、医療用照明装置として、無影効果を持たせた歯科医療のＬＥＤ照明灯具も提案されている。このような歯科用のＬＥＤ照明装置として、本発明者は特許文献１を提案している。
【０００４】
特許文献１に記載された照明用灯具は、ＬＥＤ光源と、スリットが設けられたガイドマスク部材と、投影レンズとを備えた複数の光学モジュールを用いて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示れた照明用光学モジュールおよび照明用灯具は正しく所定の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭のボケのない切れの良い配光を得ることはできたが、最高照度がやや低かった。
【０００７】
求められる照射面における明るさの照度値を高めるために、光源として発光輝度の高いＬＥＤ光源を用いれば良い。しかし輝度の高いＬＥＤ光源はコスト上昇を招く。また、高い輝度とするためにＬＥＤに流す電力を増加する場合には、ＬＥＤにおける発熱も大きくなり好ましくない。光源の出力を変えずに照度値を高くするためには、特に投影レンズの焦点距離を長くすることで最高照度を高めることができる。
【０００８】
しかしながら、投影レンズの焦点距離を単に長くしたとしても、投影レンズ外径も焦点距離に比例して大きくなってしまう。そのため歯科用のＬＥＤ照明装置のように局部照明を行う場合においては発光面積が増大することになり好ましくない。また、投影レンズ容積が大幅に増加し照明装置全体の重量増加、大型化を招きこのましくない。
【０００９】
そこで、本発明は、投影レンズ外径全体を大きくすることなく、より高い照度を得ることができるＬＥＤ照明用光学モジュール及び照明用光学モジュールを用いた局部照明灯具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】
【００１０】
上記課題を解決するため、ＬＥＤ照明用光学モジュールは、
ＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源からの出射光を通す横長形状のスリットが設けられたガイドマスク部材と、焦点が前記スリット近傍に位置する投影レンズとを備え、
前記ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子とＬＥＤ素子の周囲に設けた反射壁とＬＥＤ素子を覆うモールド層とを有し、ＬＥＤ光源の出射面を平坦状とした横長矩形形状であり、
前記投影レンズは、前記ＬＥＤ光源に対向する入射面と、円筒形状の中央部出射面および中央部出射面の両端側方の円球状出射面からなる連接出射面と、を備え、
前記ＬＥＤ光源の長手方向と、前記スリットの長手方向と、前記中央部出射面の中心軸方向とが、平行であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記ＬＥＤ光源の出射面の長手方向の幅と、前記中央部出射面の幅が同じであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の別の観点によれば、前記した照明用光学モジュールが、光軸が所定の距離を半径とする円弧の中心へ向かうように角度をつけて筐体に複数取り付けられたことを特徴とする局部照明灯具を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、投影レンズサイズを光源に応じた僅かな大型化で、最高照度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明に係るＬＥＤ照明用光学モジュールの構成を示した斜視図である。
【図２】図２はガイドマスク部材のスリットの状態を示した正面図である。
【図３】図３はＬＥＤ装置を示した斜視図である。
【図４】図４は、レンズとはＬＥＤ装置との関係を示すもので（ａ）が本実施の形態のレンズ１０を用いた場合を示す概略側面図、（ｂ）が比較のために特許文献１に記載のスリット近傍に焦点を有し拡散カットが施されたレンズを用いた場合を示す概略側面図である。
【図５】図５は、図４（ａ）に示す本実施の形態のレンズを用いた場合の配光パターンを説明するための模式的な断面図である。
【図６】図６はＬＥＤ照明用光学モジュールによる配光パターンを示した斜視図である。
【図７】、図７は歯科用の無影灯を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態であるＬＥＤ照明用光学モジュール及びＬＥＤ照明用光学モジュールを用いた局部照明灯具について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係るＬＥＤ照明用光学モジュールの構成を示した斜視図、図２はガイドマスク部材のスリットの状態を示した正面図、図３はＬＥＤ装置を示した斜視図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係わる照明用光学モジュール１はＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成される。
【００１７】
ＬＥＤ光源２は、ベース板５上にＬＥＤ装置６が取り付けられている。ＬＥＤ装置６は複数のＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体を含有するモールド樹脂８で覆い、ＬＥＤチップ７から照射する光によりモールド樹脂内に含まれる蛍光体から異波長の発光を放射する。例えばこれにより白色発光する。本実施の形態では図３に示すように複数のＬＥＤチップ７及び樹脂モールド８は外枠８ｂで囲われた凹部内８ａに設けられている。ＬＥＤ光源２は側面２ａを短手とした横長矩形形状で、ＬＥＤチップ７は長手方向に複数のチップが整列して設置されている。外枠８ｂは、ＬＥＤチップ７から出射した光および樹脂モールド８に含まれる蛍光体にて放射された光を反射する反射壁とされ、光軸方向であるＬＥＤ光源２の出射面２ｂ側に拡開している。また、ＬＥＤ光源２は出射面２ｂ平坦状となるように外枠８ｂの出射面２ｂ側端部と同じ高さとなるように樹脂モールド８が充填されている。
【００１８】
また、本実施の形態ではＬＥＤ装置６はＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体を含有するモールド樹脂８で覆うことで白色発光させているが、本発明はこれに限らずＲ、Ｇ、Ｂの三原色のＬＥＤチップ７，７，７を使用するなどにより所望の発光色が得られるものであれば、ＬＥＤチップおよび蛍光体はいずれの物でも好適に実施可能である。また、蛍光体も蛍光顔料、蛍光染料などに限るものではない。
【００１９】
ガイドマスク部材３は中央部にスリット９が形成された板状部材であって、ＬＥＤ光源２と投影レンズ４との間に配置される。ガイドマスク部材３はアルミ材などの金属材料、セラミック材等により形成され、表面が塗装、焼付け塗装、アルミ蒸着等により着色されている。
【００２０】
スリット９は所望の配光パターン形状と合致した矩形に形成されている開口部であって、図２に示すようにＬＥＤ光源２の樹脂モールド８前方に位置付けられる。これにより、ＬＥＤ装置６より出射した光はガイドマスク部材３により一部が遮られ、所望の配光パターン形状と合致したスリット９の形状を成す明確な発光光源エリアを形成する。
【００２１】
なお、スリット９は所望の配光パターン形状を形成する大きさよりも小さいことが望ましく、これにより照明用光学モジュール１の取り付け角度の精度が高くなくとも所望の照射領域を越えることがなくなる。
【００２２】
また、ガイドマスク部材３の表面は青色、紺色、白色、迷彩色等に塗装、またはＡｌやＡｇなどの金属膜を蒸着、またはスパッタやメッキ等で表面処理を施されている。従来の照明用光学モジュールでは消灯時にレンズ越しに内部の光源等の構成部品が視認されるため、例えば構成部品に黒色が多く使用されている場合、レンズ内に外光が入射しづらい事もあり、あたかも黒色レンズのように見えるので無影灯用光学モジュールの見栄えが悪くなる。しかし、ガイドマスク部材３の表面を塗装、金属膜蒸着、スパッタ、メッキ等を施すことにより非点灯時の見栄えを明瞭かつ明るいイメージとして向上させ、商品価値を高めることが可能となる。
【００２３】
投影レンズ４はアクリル、ポリカーボネイトなどの透明樹脂材、ガラス材等により形成されるレンズ１０とレンズ１０を保持するレンズホルダー１１とから構成される。レンズ１０は複数の区画に区切られた凸レンズである。
【００２４】
投影レンズ４とＬＥＤ光源２との関係について図４および図５を用いて説明する。
図４は、レンズ１０とＬＥＤ装置６との関係を示すもので、（ａ）が本実施の形態のレンズ１０を用いた場合を示す概略側面図、（ｂ）が比較のために特許文献１に記載のスリット近傍に焦点を有し拡散カットが施されたレンズ１００を用いた場合を示す概略側面図で、（ａ）と同一の構成については同一の符号を付している。図５は、図４（ａ）に示す本実施の形態のレンズ１０を用いた場合の配光パターンを説明するための模式的な断面図である。
【００２５】
レンズ１０は大別して光軸Ａｘを含む中央部１０ａと、中央部の左側に位置する左側方部１０ｂと、中央部の右側に位置する右側方部１０ｃと、レンズ周囲のフランジ部１０ｄが一体に形成されている。フランジ部１０ｄはレンズホルダー１１にて挟持するための取り付け固定部となる。中央部１０ａおよび側方部１０ｂ、１０ｃのすべての領域のＬＥＤ光源２側には、ＬＥＤ光源２の出射面２ｂと向かいあった入射面２０が形成され、入射面２０の反対側にはレンズ中央部１０ａの中央部出射面２１ａと、レンズ左側方部１０ｂの左側方部出射面２１ｂと、レンズ右側方部１０ｃの右側方部出射面２１ｃからなる出射面２１を有する。なお、図５では説明をわかりやすくするため中央部１０ａを側方部１０ｂ、１０ｃに比べて図面横方向に拡大して示している。
【００２６】
レンズ中央部１０ａは、平坦な入射面２０と円筒形状の出射面２１ａを備えた半円柱形状のシリンドリカルレンズとされ、円柱の中心軸方向がＬＥＤ光源２の長手方向と平行とされている。レンズ中央部１０ａの焦点は、スリット９近傍に位置している。レンズ中央部１０ａはスリット９を通過して所望の配光パターン形状に形成された光を円柱の中心軸と直交する方向においては収束・拡散させ、円柱の中心軸と平行な方向においてはそのまま通過させる。これによりスリット９を通過した光が所望の配光パターンの左右方向サイズに制御される。なお、レンズ中央部の幅は、図５に示すようにＬＥＤ光源２の長手方向の幅Ｌと略一致する大きさとしている。また、レンズ中央部の幅を凹部８ａの幅Ｌ１と等しくても良い。レンズ中央部の幅をＬ１からＬの間とすることで、後述する配光パターンの中央部での重なりを増加させて高い照度とすることができるからである。
【００２７】
レンズ左側方部１０ｂおよびレンズ右側方部１０ｃは光軸Ａｘを中心に対称に形成される。レンズ左側方部１０ｂについて説明し、レンズ右側方部１０については対称につき省略する。レンズ左側方部１０ｂは、平坦な入射面２０と半球状の左側方部出射面２１ｂを備えた半球形状（レンズ左側方部１０ｂとレンズ右側方部１０ｃを併せると半球となる１／４球形状）とされ、入射面および出射面はレンズ中央部１０ａと連続した面となるように段差なく接続されている。それゆえ出射面２１は、左側方部出射面２１ｂ、中央部出射面２１ａおよび右側方部出射面２１ｃがなめらかに連続した連接出射面となっている。半円球形状の半径は、概ね［（投影レンズの幅−Ｌ（レンズ中央部の幅））/２］と設定される。レンズ左側方部１０ｂの焦点は、スリット９近傍に位置している。左側方部１０ｂはスリット９を通過して所望の配光パターン形状に形成された光を制御してスリット９の長手方向と同方向の水平方向に拡散させる。これによりスリット９を通過した光が所望の配光パターンの左右方向サイズに制御される。なお、出射面は、複数の区画に分割して拡散面を形成しても良い。
【００２８】
次に配光パターンについて説明する。最初に特許文献１の配光パターンについて説明する。特許文献１の照明用光学モジュールではＬＥＤ光源２から出射した光は図４（ｂ）に矢示したように進行する。図６は特許文献１の配光パターンを説明するものである。特許文献１では配光パターン左右方向サイズの制御では図６に示すように、左右方向の幅Ｗは通常の凸レンズと組み合わせた場合、スリット９により形成された発光光源エリアにより領域Ａまでしか配光されないが、レンズ１０と組み合わせることにより水平方向拡散の機能によって領域Ｂまで配光制御される。上下方向は純粋な対物レンズ効果により平行光線で前方へ投影照射されて通常の凸レンズと同じ高さＴのまま配光される。これにより、所望の形状とサイズであって、左右になだらかな照度分布傾斜となる輪郭ボケの無い切れの良い配光となる。
【００２９】
続いて本実施の形態の場合における配光パターンについて説明する。本実施の形態の場合においても、図４（ａ）および図５にＬＥＤ光源２から出射した光は矢示したように進行する。レンズ左側方部１０ｂおよび右側方部１０ｃの形状は特許文献１と変わる点がないので、図６と同様に所望の形状とサイズであって、左右になだらかな照度分布傾斜となる輪郭ボケの無い切れの良い配光となる。なお、レンズ中央部１０ａを設けているので左方向または右方向にシフトする。
【００３０】
また、本実施の形態においてはレンズ中央部１０ａが存在する。このためＬ１に対応する幅から出射する光は、ＬＥＤ光源２の長手方向においては収束することなく進行する。図５の矢印はＬＥＤチップからの直接光を模式的に矢示している。レンズ中央部１０ａおよびレンズ左側方部１０ｂを通った配光パターンをＰ１で、同じくＬＥＤチップからの光がレンズ中央部１０ａおよびレンズ右側方部１０ｃを通った配光パターンをＰ２として示す。配光パターンＰ１とＰ２は重なって形成される。このとき、重なって照射される領域Ｐ３においては、レンズ中央部１０ａと、レンズ左側方部１０ｂと、レンズ右側方部１０ｃのすべての領域からの光が重なることになり、中央部の最大照度を高くすることができる。なお、図５では配光パターンＰ１とＰ２の重なりをわかりやすく説明するために上下にずれて図示しているが、実際には上下にずれることなく一部が重なり合った合成した配光パターンとしている。
【００３１】
また、本発明の照明用光学モジュール１ではリフレクタを用いて光を制御することにより入射角のズレが出射角で更に加わり２倍となる場合に比べ、ＬＥＤ光源２やスリット９の位置にズレが生じてもレンズ屈折現象により制御するので照射される位置のズレは１／屈折率に抑えられ、高い組み立て精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射される。
【００３２】
続いて、このように構成された照明用光学モジュール１について説明する。図６はＬＥＤ照明用光学モジュールによる配光パターンを示した斜視図、図７は歯科用の無影灯を示した斜視図である。
【００３３】
図７に示すように、無影灯１２の筐体１３の外周部に複数個取り付けられる。筐体１３は所定角度にエーミングされた複数の平面１４を備えている。照明用光学モジュール１は所定の距離にあるスクリーン上で所望の照射領域内に光が配光されるように、前記の所定の距離を半径とする円弧の中心へ光軸を向けて筐体１３の外周部の平面１４へ取り付けられる。これにより、複数の照明用光学モジュール１による配光が図６に示すように所望の照射領域Ｓ内に複数照射され所望の照度が得られる。所定の距離は、歯科医療用無影灯の場合には患者の口腔までの距離とする。
【００３４】
次に無影灯１２の作用について詳説する。本実施の形態では無影灯１２としてＬＥＤ光源を用いた歯科医療用無影灯を例に説明する。なお、本実施の形態では歯科医療用無影灯を例に説明するが、本発明の照明用光学モジュールは各種の精密作業等に使用する照明用として利用可能であり特にこれに限定されるものでない。
【００３５】
図１に示すように無影灯１２はＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成された照明用光学モジュール１により構成されている。ＬＥＤ光源２より出射された光はガイドマスク部材３に形成されたスリット９により一部が遮られ所望の配光パターン形状に形成される。スリット９を通した光は投影レンズ４のレンズ１０により水平方向拡散されて所望の配光パターンの左右方向サイズに制御される。
【００３６】
ＬＥＤ光源２はベース板５上にＬＥＤ装置６が取り付けられ、ＬＥＤ装置６はＬＥＤチップ７の周囲を蛍光体８を含有するモールド樹脂８ａで覆われている。ＬＥＤチップ７及び樹脂モールド８ａは外枠８ｂに設けた円形状の凹部内に設けられ、本実施の形態では発光サイズ、すなわち凹部の長手方向のサイズとしては３ｍｍ〜４ｍｍ、短手方向のサイズとしては２ｍｍ〜３ｍｍの物が使用される。
【００３７】
続いて、このようなＬＥＤ光源２、ガイドマスク部材３、投影レンズ４により構成された照明用光学モジュール１は図６に示す筐体１３の外周部に複数個取り付けられて無影灯１２を構成する。照明用光学モジュール１は歯科医療用無影灯の場合、半径７００ｍｍの円弧の中心へ光軸が向かうように角度をつけて取り付けられる。
【００３８】
このとき、たとえば発光サイズがφ４の円形である場合、ガイドマスク部材３のスリット９の形状を上下高１．８ｍｍ、左右幅４ｍｍの矩形とするとレンズ１０により配光される光の上下高は焦点距離の関係から８０ｍｍとなり、スリット９の形状を上下高１．６ｍｍ、左右幅４ｍｍの矩形とすると配光される光の上下高は７０ｍｍとなる。
【００３９】
スリット９を使用せずにφ４のままの光として出射した場合は配光される光の上下高は１８０ｍｍとなり、患者の眼に光が入るので患者に不快感を与えるためスリット９の上下高を制御することで、配光パターンの上下高が制御される。４ｍｍ（左右方向）×３ｍｍ（上下方向）の矩形光源の場合には上下高が１８０ｍｍよりも小さい１３５ｍｍの上下高となる。仮にガイドマスク部材３を使用せずに上下高の問題を解消するには、焦点距離を２倍以上に長くする必要があり、無影灯の奥行きが深くなるとともに正面視サイズも拡大するため無影灯のサイズが大きくなりＬＥＤ光源２を使用してコンパクトな無影灯とする優位性が低下する。
【００４０】
スリット９の形状は、照明用光学モジュール１による配光パターンが所望の配光パターンより小さくなるように形成されているので、平面１４の取り付け角度の精度が高くなくとも所望の照射領域を越えることが無い。
【００４１】
レンズ１０の焦点距離Ｆ＝１０ｍｍ、厚み１０ｍｍ、レンズの中央部の幅を２ｍｍとする。このとき、７００ｍｍ先にあるスクリーン上において、上下高７０ｍｍの横長の配光パターンが得られ、レンズ中央部を設けない場合の最高照度は２１００Ｌｘであった。一方、レンズ中央部を設けた場合には、同一光源を用いた場合であっても２８００Ｌｘとなり、３０％も向上させることができた。なお、レンズ入射面積はレンズ中央部を設けることえ８％増加している。このように、限られた発光面積からより高い照度を得ることができるものとなる。
【００４２】
また、照明用光学モジュール１はＬＥＤ光源２やスリット９の位置にズレが生じてもレンズ屈折現象により制御するのでリフレクタの反射を用いて光を制御するのに比べ照射位置のズレが抑えられ、高い組み立て精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射される。これにより患者の眼に光が入ることが無くなり、患者に不快感を与えることが無い。
【００４３】
照明用光学モジュール１の取り付け個数は、例えばＬＥＤ装置６の発光面積を６．４ｍｍ２、光束を８０ｌｍ（１．１Ｗ）とした場合、１０個の照明用光学モジュール１（合計消費電力１１Ｗ）により、５５Ｗのハロゲン電球を光源として用いた無影灯と同等の照度が得られた。これにより、本発明の無影灯１２は従来の５５Ｗから１１Ｗの消費電力となり、８０％の省電力となる。
【００４４】
以上、説明したように、本発明に係わる照明用光学モジュール１によれば、所望の配光パターン形状と合致したガイドマスク部材と水平方向拡散させる投影レンズによって高い組み立て精度や取り付け精度が無くとも正しく所望の照射領域内に光が照射され、必要な照度を備えた輪郭ボケの無い切れの良い配光となるＬＥＤ照明用光学モジュール及びＬＥＤ照明用灯具とすることが可能となる。
【００４５】
上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎない。これらの記載によって本発明は限定的に解釈されるものではない。たとえばガイドマスクをベース板と一体に形成しても良い。本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
歯科用の無影灯に限らず、他の用途の無影灯にも適用でき、また、スポットライトや商品見本の照明灯、ガーデンライトなどの局部照明装置などの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４７】
１    無影灯用光学モジュール
２    ＬＥＤ光源
３    ガイドマスク部材
４    投影レンズ
５    ベース板
６    ＬＥＤ装置
７    ＬＥＤチップ
８    樹脂モールド
９    スリット
１０    レンズ
１１    レンズホルダー
１２    無影灯
１３    筐体
１４    平面
２０    入射面
２１    出射面
【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】
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【図６】
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【図７】
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