(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状発光体、ＬＥＤ光源及び該ＬＥＤ光源からの光を前記棒状発光体の端面へ集光するレンズを備えてなる発光装置であって、
前記レンズは先端部の中心線周りに拡散部を設け、該拡散部は前記中心線付近の光を拡散し、前記棒状発光体の端面を介し内周面へ照射し、
前記拡散部の屈折面を通過する前記光が該中心線側へ屈折され、かつ該中心線から半径方向へ離れた屈折面を通過するにしたがって、前記レンズ部の先端からより離れた前記中心線を通過する、ように形成された曲面を前記拡散部は有し、
前記レンズの屈折面で屈折した光を平行に進行させるように構成されている、ことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記拡散部が前記レンズの実質的に全体を占めている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記レンズの中心線で分割される一方の屈折面で屈折される光と他方の屈折面で屈折される光との交差角が３０度から４０度の範囲内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または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記拡散部の屈折面上の点の座標を（x, y）としたとき、該屈折面の形状が、式
y = -0.0072x4 + 0.0212x3 - 0.1637x2 - 0.4086x + 5.2822
により近似されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の発光装置。
【請求項５】
前記拡散部の屈折面上の点の座標を（x, y）としたとき、該屈折面の形状が、式
y = -0.0068x4 + 0.0185x3 - 0.151x2 - 0.5224x + 5.6088
により近似されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の発光装置。
【請求項６】
棒状発光体、ＬＥＤ光源及び該ＬＥＤ光源からの光を前記棒状発光体の端面へ集光するレンズを備えてなる発光装置であって、
前記レンズはその屈折面を通過する前記光が該中心線側へ屈折され、かつ該中心線から半径方向へ離れた屈折面を通過するにしたがって、該レンズの先端からより離れた前記中心線を通過するように形成され、
前記レンズの屈折面で屈折した光を平行に進行させるように構成されている、ことを特徴とする発光装置。
【請求項７】
前記レンズの中心線で分割される一方の屈折面で屈折される光と他方の屈折面で屈折される光との交差角が３０度から４０度の範囲内となるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
【請求項８】
前記レンズの屈折面上の点の座標を（x, y）としたとき、該屈折面の形状が、式
y = -0.0072x4 + 0.0212x3 - 0.1637x2 - 0.4086x + 5.2822
により近似されることを特徴とする請求項６または７に記載の発光装置。
【請求項９】
前記レンズの屈折面上の点の座標を（x, y）としたとき、該屈折面の形状が、式
y = -0.0068x4 + 0.0185x3 - 0.151x2 - 0.5224x + 5.6088
により近似されることを特徴とする請求項６または７に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記ＬＥＤ光源の中心線、前記棒状発光体の端面の中心、および前記レンズの中心線が互いに一致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９のいずれか一つに記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光装置及びそれに用いられるレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
透明樹脂などで形成された棒状体の側面を発光させるために、当該棒状発光体の端面へＬＥＤ光源としてＬＥＤランプの光を導入する構成の発光装置が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
棒状発光体の端面はその面積が小さいので、棒状発光体内へ十分に光を導入するには、ＬＥＤチップからの光を当該端面へ集光する必要がある。そのため、特許文献１ではＬＥＤランプをケース状の接合体内へ配置し、当該接合体内面の反射面を利用して、ＬＥＤランプからの光を棒状発光体の端面に集光させていた。
【特許文献１】特開２００５−２９０３０号公報
【特許文献２】特開２００６−１３０８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の発明では、棒状発光体の端面に対して複数のＬＥＤランプを配置することを前提としている（特許文献１の図４等参照）。十分な光量を確保し、かつ棒状発光体の周面へ光を供給して当該周面を確実に光らせるためである。
部品点数削減の観点から、ＬＥＤランプを単品とすることが求められている。本発明者はかかる要求に対応すべく検討を重ねてきたところ、下記に課題を見出した。
即ち、１つのＬＥＤランプでは棒状発光体の端面へ均等に光を供給するため、ＬＥＤランプの中心線と棒状発光体の中心線とを一致させる。そして、ＬＥＤランプの光を集光し、確実に棒状発光体の端面へ照射するには、ＬＥＤランプと棒状発光体との間にレンズを設ける必要がある。
ここで一般的な集光レンズを用いた場合、確かにＬＥＤランプからの光を棒状発光体の端面へ集光できるが、ＬＥＤランプの中心線近傍の光はほぼこの中心線と平行になる。従って、棒状発光体においてもその中心線とほぼ平行な光となって、棒状発光体の側面（発光面）から外部へ放出され難い。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、次のように規定される。
棒状発光体、ＬＥＤ光源及び該ＬＥＤ光源からの光を前記棒状発光体の端面へ集光するレンズを備えてなる発光装置であって、
前記レンズは先端部の中心線周りに拡散部を設け、該拡散部は前記中心線付近の光を拡散し、前記棒状発光体の内周面へ照射する、ことを特徴とする発光装置。
【０００５】
このように規定されるこの発明の第１の曲面によれば、レンズにおいて中心線周りの光が拡散部により強制的に屈曲されて、その中心線から外れるように放射され、その結果、棒状発光体の中心線からも外れて当該棒状発光体の内周面へ照射される。もって、棒状発光体内で多重反射することとなり、棒状発光体の周壁の明るさが向上する。
【０００６】
この発明の第２の局面の発明では拡散部の形状を次のように規定する。即ち、
前記該拡散部の屈折面を通過する前記光が該中心線側へ屈折され、かつ該中心線から半径方向へ離れた屈折面を通過するにしたがって、前記レンズ部の先端からより離れた前記中心線を通過する、ように形成された曲面を前記拡散部は有する。
このように規定された第２の局面の発明では、中心線に近い光は大きく屈折させられて、レンズ直前の中心線（延長線）を通過する。このように屈折された光は棒状発光体において端面から近い内周面へ照射されるので、棒状発光体周面の発光に寄与する。
【０００７】
レンズを作成するにあたり先端部分のみを他の部分と異なる曲面とすることは製造工程に負荷がかかるので、この発明の第３の局面〜第５の局面で規定するように、レンズを全体的に次のように形成することが好ましい。即ち、前記レンズはその屈折面を通過する前記光が該中心線側へ屈折され、かつ該中心線から半径方向へ離れた屈折面を通過するにしたがって、該レンズの先端からより離れた前記中心線を通過するように形成されている。
【０００８】
レンズの中心線近傍の光を拡散させるため、レンズの先端部に凸部や凹部を設けることもできる。かかる凸部や凹部を通過した光はその屈折面において屈折して一律に中心線とほぼ平行には進行することはない。その結果、棒状発光体においてその端面から近い位置の内周面へ到達し、棒状発光体内において反射を繰り返して棒状発光体の周壁をより明るくする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施例について説明する。
図１は実施例の発光装置１を示す。この発光装置１は、棒状発光体３、ＬＥＤランプ１０、レンズ２０及びケーシング３０を備えてなる。
棒状発光体３は光透過性の樹脂材料（アクリル等）で形成される。棒状発光体３の長さや径は用途に応じで任意に選択される。棒状発光体３はその側面から均等に光が放出されるように拡散剤を分散させることが好ましい。また、先端側（光導入面から離れた端部）まで十分に光らせるためには、棒状発光体内で光を反射させる必要もある。そこで棒状発光体３は光を導光させるコアと光を拡散し放出させるクラッドの２層構造とすることが好ましい。
【００１０】
光源としてＬＥＤランプ１０を使用する。ＬＥＤランプは小型であること、駆動電力が小さいこと、発熱量が少ないこと、長寿命であることなど様々な利点を有する。ＬＥＤランプの種類は特に限定されず、砲弾タイプ（レンズタイプ）、表面実装（ＳＭＤ）タイプ、チップオンボード（ＣＯＢ）タイプ等、種々のタイプのＬＥＤランプを採用できる。
この実施例ではＬＥＤランプの使用数は１つであり、そのＬＥＤランプの中心線を棒状発光体３の中心線と一致させている。ＬＥＤランプ中に複数のＬＥＤチップを内蔵させておくことができる。ＬＥＤランプの色、出力も棒状発光体３の用途、目的に応じて任意に選択できる。
【００１１】
レンズ２０は棒状発光体３とＬＥＤランプ１０との間に介在されて、ＬＥＤランプ１０からの光を集光して棒状発光体３の端面へ導入する。レンズ２０の中心線は棒状発光体３の中心線（端面４の中心）及びＬＥＤランプ１０の中心線と一致する。
レンズ２０の構造については後で詳述する。
【００１２】
ケーシング３０は、図２にその斜視図を示すように、レンズ支持部３１とランプ支持部４１とを備えてなる。レンズ支持部３１は筒状部分３３を有し、当該筒状部分３３内へレンズ２０が収納される。筒状部分３３の上面には貫通孔３５が形成され、この貫通孔３５へ棒状発光体３の端部が挿入される。光漏れを防止し、且つ機械的安定性を確保する見地からも、棒状発光体３をレンズ支持部３１の貫通孔３５の周壁に対して無理嵌めの状態とすることが好ましい。
ここで、樹脂製の棒状発光体３の場合、環境温度変化に伴いその軸方向へ大きく伸縮するので、レンズ支持部３１との間に無用なストレスを生じさせないために、圧縮コイルばね５０でケーシング３０を棒状発光体３の軸方向へ付勢し、ケーシングが棒状発光体３の伸縮を追従させることが好ましい。従って、この圧縮コイルばね５０はその中心線を棒状発光体３の中心線の延長線上に置くのが好ましい。
ランプ支持部４１に対してレンズ支持部３１を棒状発光体３の中心線方向に可動とし、ランプ支持部４１とレンズ支持部３１の間に圧縮コイルばねを介在させてもよい。
ランプ支持部４１はＬＥＤランプ１０を保持する部分４３とコネクタ４５を備えている。
レンズ支持部３１とランプ支持部４１とは別体の樹脂部品であり、それぞれ射出により成形される。これらを別体とすることでレンズ２０を保持しやすくなり、また、組立てが容易になる。なお、レンズ支持部３１とランプ支持部４１とを一体的に形成することもできる。
上記の例では、汎用的なランプ支持部４１に対し、特徴的なレンズ２０を支持するレンズ支持部３１を取り付ける構造としている。
ここに、上記レンズ２０を省略して、ＬＥＤランプ１０のレンズ部自体へ以下に説明するレンズ２０の特性を具備させることも可能である。この場合、レンズ支持部は専ら棒状発光体３を支持する筒状部材となる。かかるＬＥＤランプにおいてはＬＥＤ光源となるＬＥＤチップはそのレンズ部の中心線上に配置される。
【００１３】
図３は実施例のレンズ２０の光学特性を示す。
図３から明らかな通り、このレンズ２０の屈折面で屈折する光を比べると、レンズ屈折面において中心線から離れるに従って、屈折後に中心線と再度交わる距離がレンズ先端から離れている。換言すれば、中心線に近い光はレンズ屈折面で屈折すると、レンズ直前の中心線と交わることとなる。従って、棒状発光体３の端面近傍の内周面へ照射されることとなる。
他方、一般的な焦点を持つレンズ２１では、図４に示すように、中心線近傍の光はほぼ中心線に沿って進むので、焦点を越えたあとも実質的に直進し、棒状発光体３の内周面にほとんど直接照射されず、棒状発光体の他方の端面まで導光されるため、周壁の明るさ向上に寄与しない。
【００１４】
図３の例では、レンズ屈折面で屈折した光を実質的に平行に進行させている。中心線で分割される一方の屈折面で屈折される光と他方の屈折面で屈折される光との交差角を３０度としている。当該交差角が４０度の例（レンズ２３）を図５に示した。
図３及び図４に示したレンズの曲面は次のようにして定めた。
図６に示すようにレンズの座標を定め、
(1) レンズの屈折面上のある点ａ（x,y）における屈折面の傾きΘ1+Θ2を決定する（図６Ｂ参照）。
Θ1+Θ2  =  Θ3-Θ4
n2*sinΘ2  =  n3*sinΘ3    ・・・スネルの法則
Θ1：入射角、中心線からの入射光の傾き（0°〜90°）
Θ4：出射角、中心線からの出射光の傾き（任意定数）
Θ2、Θ3：界面における入射角、出射角（スネルの法則）
n2：媒質屈折率、  n3：外部（空気）屈折率
(2) 次に、ａ（x,y）から屈折面方向にΔx（Δy）離れた点ｂ（x+Δx,y+Δy）の傾きを決定する(図６Ｃ参照)。
【００１５】
上記の(1)(2)を繰り返し、レンズ形状（点）を計算する。そして、計算により得られた点をフィッテイングし、最終形状を決定する。
その結果、図３のレンズ２０の屈折面の形状は次のように近似された。
y = -0.0072x4 + 0.0212x3 - 0.1637x2 - 0.4086x + 5.2822
また、図５のレンズ２３の屈折面の形状は次のように近似された。
y = -0.0068x4 + 0.0185x3 - 0.151x2 - 0.5224x + 5.6088
【００１６】
この実施例のレンズ２０、２３では屈折面の全面が同一の上記の設計思想で形成されているが、この設計思想をレンズの中心線周り（即ち先端部）だけに適用し、他の部分は図４に示す一般的なレンズ屈折面としてもよい、中心線近傍の光を含めすべての光を棒状発光体の端面近傍へ照射できるからである。
【００１７】
図７は他の実施例の発光装置１００を示す。なお、図１の例と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この例のレンズ１２０はその先端部に半球状の凸部１２１を備えている。この凸部１２１により、中心線近傍の光は拡散され、中心線に対して大きな角度をとる。これにより、当該中心線近傍の光も棒状発光体の内周面へ確実に照射される。
【００１８】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。  本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、及び特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例の発光装置１の構成を示す断面図である。
【図２】ケーシング３０の斜視図である。
【図３】実施例のレンズ２０の光学特性を示す図である。
【図４】焦点を有する従来のレンズ２１の光学特性を示す図である。
【図５】他の実施例のレンズ２３の光学特性を示す図である。
【図６】レンズの屈折面の設計思想を説明するための図である。
【図７】他の実施例の発光装置１００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１、１００  発光装置
３  棒状発光体
１０  ＬＥＤランプ
２０、２１、２３、１２０レンズ
３０  ケーシング
【図１】
0004952632.tif 000002
【図２】
0004952632.tif 000003
【図３】
0004952632.tif 000004
【図４】
0004952632.tif 000005
【図５】
0004952632.tif 000006
【図６】
0004952632.tif 000007
【図７】
0004952632.tif 000008