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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6304938
(24)【登録日】2018年3月16日
(45)【発行日】2018年4月4日
(54)【発明の名称】照明装置および広配光レンズ
(51)【国際特許分類】
F21K 9/23 20160101AFI20180326BHJP
F21V 5/00 20180101ALI20180326BHJP
H01L 33/00 20100101ALI20180326BHJP
G02B 3/02 20060101ALI20180326BHJP
G02B 3/04 20060101ALI20180326BHJP
G02B 17/08 20060101ALI20180326BHJP
F21Y 115/10 20160101ALN20180326BHJP
【ＦＩ】
F21K9/23
F21V5/00 510
H01L33/00 H
G02B3/02
G02B3/04
G02B17/08 Z
F21Y115:10
【請求項の数】24
【全頁数】28
(21)【出願番号】特願2013-94491(P2013-94491)
(22)【出願日】2013年4月26日
(65)【公開番号】特開2014-216259(P2014-216259A)
(43)【公開日】2014年11月17日
【審査請求日】2016年4月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】303058328
【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100109830
【弁理士】
【氏名又は名称】福原 淑弘
(74)【代理人】
【識別番号】100088683
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140176
【弁理士】
【氏名又は名称】砂川 克
(74)【代理人】
【識別番号】100158805
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 守三
(74)【代理人】
【識別番号】100172580
【弁理士】
【氏名又は名称】赤穂 隆雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100124394
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 立志
(74)【代理人】
【識別番号】100112807
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 貴志
(74)【代理人】
【識別番号】100111073
【弁理士】
【氏名又は名称】堀内 美保子
(72)【発明者】
【氏名】大野 博司
(72)【発明者】
【氏名】加藤 光章
(72)【発明者】
【氏名】久野 勝美
(72)【発明者】
【氏名】近藤 弘康
(72)【発明者】
【氏名】津田 亮二
【審査官】
鈴木 重幸
(56)【参考文献】
【文献】
中国特許出願公開第１０３０３２７２９（ＣＮ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１２／１２４６３７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特許第４６６０６５４（ＪＰ，Ｂ２）
【文献】
特開２０１０−２３１９３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−２０９２３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−１６３６０２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ２１Ｓ ２／００
Ｆ２１Ｋ ９／００− ９／９０
Ｆ２１Ｖ２９／００−２９／９０
Ｆ２１Ｖ ５／００− ５／０４
Ｈ０１Ｌ３３／００−３３／６４
Ｇ０２Ｂ ３／０２− ３／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発光面を有する光源と、
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記光学素子の前記貫通孔を覆うように前記全反射面と向かい合う光拡散部をさらに備え、前記光拡散部は、前記全反射面に面した背面と、当該背面の反対側に位置された表面と、前記表面の外周縁と前記背面の外周縁との間を結ぶ端面と、を有し、前記背面および前記表面の少なくともいずれか一方が光を拡散させるように構成され、前記端面が前記全反射面の外周部と向かい合うとともに、前記端面と前記全反射面の外周部との間に隙間が形成された照明装置。
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記光学素子の前記貫通孔を覆うように前記全反射面と向かい合う光拡散部をさらに備え、前記光拡散部は、前記全反射面に面した背面と、当該背面の反対側に位置された表面と、前記表面の外周縁と前記背面の外周縁との間を結ぶ端面と、を有し、前記背面および前記表面の少なくともいずれか一方が光を拡散させるように構成され、前記端面が前記全反射面の外周部と向かい合うとともに、前記端面と前記全反射面の外周部との間に隙間が形成された照明装置。
【請求項2】
発光面を有する光源と、
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記全反射面は、前記軸線に最も接近された点を有する曲面であり、前記点を通って前記軸線に向かう法線が前記軸線と交差する照明装置。
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記全反射面は、前記軸線に最も接近された点を有する曲面であり、前記点を通って前記軸線に向かう法線が前記軸線と交差する照明装置。
【請求項3】
発光面を有する光源と、
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記射出面は、前記光源から遠ざかるにつれて前記軸線に近付く照明装置であって、
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面上の有限区間内の点をＰとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
とした時、
前記点Ｐを通って前記軸線から遠ざかる方向に延びる法線ベクトルと前記点Ｐと前記点Ｑとの間を結ぶベクトルＰＱとで規定される角度θが、
の関係を満たす照明装置。
前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記光源の光を透過する光学素子と、を具備し、
前記光学素子は、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を含み、
前記射出面は、前記光源から遠ざかるにつれて前記軸線に近付く照明装置であって、
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面上の有限区間内の点をＰとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数1】
前記点Ｐを通って前記軸線から遠ざかる方向に延びる法線ベクトルと前記点Ｐと前記点Ｑとの間を結ぶベクトルＰＱとで規定される角度θが、
【数2】
【請求項4】
請求項３に記載の照明装置において、
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の面積をＣとし、
円形の前記発光面の半径ｒＣを
とした時、
前記距離ｒＱは、
の関係を満たす照明装置。
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の面積をＣとし、
円形の前記発光面の半径ｒＣを
【数3】
前記距離ｒＱは、
【数4】
【請求項5】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の照明装置において、前記光学素子の前記射出面は、前記射出面上の任意な点を通って前記軸線に向かう法線が前記発光面を含む面と交わるような形状を有する照明装置。
【請求項6】
請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の照明装置において、
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
とし、
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
である照明装置。
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数5】
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
【数6】
【請求項7】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の照明装置において、前記光学素子の前記入射面に前記発光面を取り囲む凹部が設けられた照明装置。
【請求項8】
請求項７に記載の照明装置において、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の半径ｒＣを
とした時、
前記凹部は、半円形の断面形状を有するトーラス型であって、前記トーラスの小円の中心が描く大円の半径ｒＴが、
である照明装置。
前記発光面を円形とした時の前記発光面の半径ｒＣを
【数7】
前記凹部は、半円形の断面形状を有するトーラス型であって、前記トーラスの小円の中心が描く大円の半径ｒＴが、
【数8】
【請求項9】
請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の照明装置において、
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
とし、
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
であり、
前記軸線からの距離が最短となる前記入射面上の点から前記軸線に向けて線を延ばした時に、当該線が前記軸線と直交する点をＯとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記発光面から前記軸線に沿って光が放射される方向をｚ方向とするとともに、当該ｚ方向と直交する方向をｘ方向とした時、
前記全反射面は、前記ｌおよび前記ｒＱを用いて、
で規定され、
媒介変数Θは、
の範囲の有限区間であり、
実数定数θａは、
を満たし、
実数定数ｌは、
である照明装置。
前記光学素子の屈折率をnとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数9】
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
【数10】
前記軸線からの距離が最短となる前記入射面上の点から前記軸線に向けて線を延ばした時に、当該線が前記軸線と直交する点をＯとし、
前記光学素子の前記軸線の軸を含む断面上において前記発光面から前記軸線に沿って光が放射される方向をｚ方向とするとともに、当該ｚ方向と直交する方向をｘ方向とした時、
前記全反射面は、前記ｌおよび前記ｒＱを用いて、
【数11】
媒介変数Θは、
【数12】
実数定数θａは、
【数13】
実数定数ｌは、
【数14】
【請求項10】
請求項９に記載の照明装置において、
である照明装置。
【数15】
【請求項11】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の照明装置において、前記光源および前記光学素子が取り付けられた本体と、少なくとも前記光学素子を覆うように前記本体に設けられたグローブと、をさらに備えた照明装置。
【請求項12】
請求項１１に記載の照明装置において、前記グローブは、前記軸線の軸方向に開口された複数の通気孔を有する照明装置。
【請求項13】
請求項１２に記載の照明装置において、前記グローブの内側に空気が流通する流路が形成され、前記本体および前記光学素子が前記流路に露出された照明装置。
【請求項14】
請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の照明装置において、前記光源が熱的に接続された支持部を有する放熱部をさらに備えており、前記光学素子は、前記放熱部の前記支持部を取り囲むとともに前記射出面に連なる延出部を有する照明装置。
【請求項15】
発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記発光面から放射された光が透過する広配光レンズであって、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記貫通孔を覆うように前記全反射面と向かい合う光拡散部をさらに備え、前記光拡散部は、前記全反射面に面した背面と、当該背面の反対側に位置された表面と、前記表面の外周縁と前記背面の外周縁との間を結ぶ端面とを有し、前記背面および前記表面の少なくともいずれか一方が光を拡散させるように構成され、
前記端面が前記全反射面の外周部と向かい合うとともに、前記端面と前記全反射面の外周部との間に隙間が形成された広配光レンズ。
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記貫通孔を覆うように前記全反射面と向かい合う光拡散部をさらに備え、前記光拡散部は、前記全反射面に面した背面と、当該背面の反対側に位置された表面と、前記表面の外周縁と前記背面の外周縁との間を結ぶ端面とを有し、前記背面および前記表面の少なくともいずれか一方が光を拡散させるように構成され、
前記端面が前記全反射面の外周部と向かい合うとともに、前記端面と前記全反射面の外周部との間に隙間が形成された広配光レンズ。
【請求項16】
発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記発光面から放射された光が透過する広配光レンズであって、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記全反射面は、前記軸線に最も接近された点を有する曲面であり、前記点を通って前記軸線に向かう法線が前記軸線と交差する広配光レンズ。
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記全反射面は、前記軸線に最も接近された点を有する曲面であり、前記点を通って前記軸線に向かう法線が前記軸線と交差する広配光レンズ。
【請求項17】
発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有し、前記発光面から放射された光が透過する広配光レンズであって、
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記射出面は、前記発光面から遠ざかるにつれて前記軸線に近付く広配光レンズであり、
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面上の有限区間内の点をＰとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
とした時、
前記点Ｐを通って前記軸線から遠ざかる方向に延びる法線ベクトルと前記点Ｐと前記点Ｑとの間を結ぶベクトルＰＱとで規定される角度θが、
の関係を満たす広配光レンズ。
前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、
前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、
前記入射面の外周縁から前記発光面に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、
前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶとともに、前記発光面から入射された光を前記射出面に向けて全反射させるように構成された全反射面と、
を具備し、
前記射出面は、前記発光面から遠ざかるにつれて前記軸線に近付く広配光レンズであり、
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面上の有限区間内の点をＰとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数16】
前記点Ｐを通って前記軸線から遠ざかる方向に延びる法線ベクトルと前記点Ｐと前記点Ｑとの間を結ぶベクトルＰＱとで規定される角度θが、
【数17】
【請求項18】
請求項１７に記載の広配光レンズにおいて、
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の面積をＣとし、
円形の前記発光面の半径ｒＣを
とした時、
前記距離ｒＱは、
の関係を満たす広配光レンズ。
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の面積をＣとし、
円形の前記発光面の半径ｒＣを
【数18】
前記距離ｒＱは、
【数19】
【請求項19】
請求項１５ないし請求項１８のいずれか一項に記載の広配光レンズにおいて、前記射出面は、前記射出面上の任意な点を通って前記軸線に向かう法線が前記発光面を含む面と交わるような形状を有する広配光レンズ。
【請求項20】
請求項１７ないし請求項１９のいずれか一項に記載の広配光レンズにおいて、
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
である広配光レンズ。
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数20】
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
【数21】
【請求項21】
請求項１５ないし請求項２０のいずれか一項に記載の広配光レンズにおいて、前記入射面に前記発光面を取り囲む凹部が設けられた広配光レンズ。
【請求項22】
請求項２１に記載の広配光レンズにおいて、
前記発光面を円形とした時の前記発光面の半径ｒＣを
とした時、
前記凹部は、半円形の断面形状を有するトーラス型であって、前記トーラスの小円の中心が描く大円の半径ｒＴが、
である広配光レンズ。
前記発光面を円形とした時の前記発光面の半径ｒＣを
【数22】
前記凹部は、半円形の断面形状を有するトーラス型であって、前記トーラスの小円の中心が描く大円の半径ｒＴが、
【数23】
【請求項23】
請求項２０ないし請求項２２のいずれか一項に記載の広配光レンズにおいて、
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
前記点Ｑから前記軸線までの距離をｒＱとし、
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
であり、
前記軸線からの距離が最短となる前記入射面上の点から前記軸線に向けて線を延ばした時に、当該線が前記軸線と直交する点をＯとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記発光面から前記軸線に沿って光が放射される方向をｚ方向とするとともに、当該ｚ方向と直交する方向をｘ方向とした時、
前記全反射面は、前記ｌおよび前記ｒＱを用いて、
で規定され、
媒介変数Θは、
の範囲の有限区間であり、
実数定数θａは、
を満たし、
実数定数ｌは、
である広配光レンズ。
屈折率をｎとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記入射面上に位置された点をＱとし、
前記全反射面の臨界角θＣを
【数24】
前記入射面上において前記軸線に対する距離が最短となる点の前記軸線からの距離をｌとした時、前記ｌは、
【数25】
前記軸線からの距離が最短となる前記入射面上の点から前記軸線に向けて線を延ばした時に、当該線が前記軸線と直交する点をＯとし、
前記軸線の軸を含む断面上において前記発光面から前記軸線に沿って光が放射される方向をｚ方向とするとともに、当該ｚ方向と直交する方向をｘ方向とした時、
前記全反射面は、前記ｌおよび前記ｒＱを用いて、
【数26】
媒介変数Θは、
【数27】
実数定数θａは、
【数28】
実数定数ｌは、
【数29】
【請求項24】
請求項２１に記載の広配光レンズにおいて、
である広配光レンズ。
【数30】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、照明装置および広配光レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
一般照明用のＬＥＤランプは、光の指向性が強く、配光角が約１２０°と狭い。このため、照明器具に取り付けて点灯させた時の光の広がり方が白熱電球と異なるといった課題がある。
【0003】
この課題を解決するために、ＣＯＢ型の発光モジュールの上に広配光レンズを配置したＬＥＤランプが知られている。従来の広配光レンズは、入射面と、入射面と向かい合う第１の出射面と、入射面の外周縁と第１の出射面の外周縁との間を結ぶ第２の出射面と、を備えている。
【0004】
第１の出射面は、入射面の中心部に向けて円錐状に窪むような形状を有し、その先細り状をなす終端が入射面の中心を通る光軸上に位置されている。第２の出射面は、光軸を同軸状に取り囲むとともに、入射面の外周縁から第１の出射面の外周縁に向けて広配光レンズの径方向に沿う外側に張り出すように傾斜されている。
【0005】
発光モジュールが発する光が広配光レンズの入射面に入射されると、入射された光の一部が第１の出射面で全反射されて第２の出射面に向かうとともに、第２の出射面から広配光レンズの側方および後方に向けて放射される。したがって、第２の出射面から出る光がＬＥＤランプの後方に向かう配光成分となり、ＬＥＤランプの配光角が広くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第４６６０６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来の広配光レンズによると、ＬＥＤランプの側方および後方に向けて光を拡散させる第２の出射面は、入射面の外周縁から第１の出射面の外周縁に向けて広配光レンズの径方向に広がっている。
【0008】
このような構成では、広配光レンズが大型化するのを避けられず、当該広配光レンズを例えばシャンデリア球に類似した形状のグローブを有する小型のＬＥＤランプに適用しようとしても、広配光レンズをグローブ内に収めることができなくなる。
【0009】
さらに、従来の広配光レンズは、第１の出射面が円錐状に窪んだ複雑な形状を有している。そのため、第１の出射面を精度よく加工することが困難となり、光拡散性能にばらつきが生じるとともに、広配光レンズの製造コストを高める要因となる。
【0010】
本発明の目的は、配光角を十分に確保しつつ光学素子をコンパクト化することができ、しかも、光学素子の加工を容易に行える照明装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
実施形態によれば、照明装置は、発光面を有する光源と、前記発光面の重心を通って当該発光面と交差する方向に沿う軸線に対し略回転対称となる形状を有するとともに前記光源の光を透過する光学素子と、を備えている。
【0012】
前記光学素子は、前記軸線に沿って設けられた貫通孔と、前記発光面に面するとともに前記貫通孔が開口された入射面と、前記入射面の外周縁から前記光源に対して遠ざかる方向に延出された射出面と、前記貫通孔を形成するように前記射出面の先端縁と前記入射面の内周縁との間を結ぶ全反射面と、を含んでいる。前記全反射面は、前記入射面から入射された前記光源の光を前記射出面に向けて全反射させるように構成されている。前記光学素子の前記貫通孔を覆うように前記全反射面と向かい合う光拡散部をさらに備えている。前記光拡散部は、前記全反射面に面した背面と、当該背面の反対側に位置された表面と、前記表面の外周縁と前記背面の外周縁との間を結ぶ端面と、を有する。前記光拡散部は、前記背面および前記表面の少なくともいずれか一方が光を拡散させるように構成され、前記端面が前記全反射面の外周部と向かい合うとともに、前記端面と前記全反射面の外周部との間に隙間が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１の実施形態に係るＬＥＤランプを一部断面で示す側面図である。
【図2】第１の実施形態において、光学レンズユニットとＣＯＢ型の発光モジュールとの位置関係を示す断面図である。
【図3】第１の実施形態において、広配光レンズの貫通孔を通過する光線の経路を示す断面図である。
【図4】第１の実施形態において、広配光レンズの全反射面で全反射された光線の経路を示す断面図である。
【図5】第１の実施形態において、広配光レンズの凹部に入射された光線の経路を示す断面図である。
【図6】第１の実施形態において、l/rQと広配光レンズの屈折率との関係を示す図である。
【図7】第１の実施形態において、光学レンズユニットを透過した光の配光分布を示す図である。
【図8】第２の実施形態に係るＬＥＤランプを一部断面で示す側面図である。
【図9】第３の実施形態において、ＳＭＤ型の発光モジュールと光学レンズユニットとの間の位置関係を示す断面図である。
【図10】第４の実施形態に係るＬＥＤランプの断面図である。
【図11】第５の実施形態に係るＬＥＤランプを一部断面で示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図１は、照明装置の一例であるＬＥＤランプの側面図、図２は、光学レンズユニットとＣＯＢ型の発光モジュールとの位置関係を示す断面図、図３は、広配光レンズの貫通孔を通過する光線の経路を示す断面図、図４は、広配光レンズの全反射面で全反射された光線の経路を示す断面図、図５は、広配光レンズの凹部に入射された光線の経路を示す断面図、図６は、l/rQと広配光レンズの屈折率との関係を示す図、図７は、光学レンズユニットを透過した光の配光分布（配光角と光度の関係）を示す図である。
【0016】
図１は、例えばシャンデリア球に類似した形状を有するＬＥＤランプ１を開示している。ＬＥＤランプ１は、ランプ本体２、グローブ３、ＣＯＢ(chip on board)型の発光モジュール４、点灯回路５および光学レンズユニット６を主要な要素として備えている。
【0017】
ランプ本体２は、例えばアルミニウムのような鉄よりも熱伝導性が良好な金属材料で構成され、放熱部としての機能を兼ねている。ランプ本体２は、一端および他端を有する円柱状の要素であるとともに、一端から他端に向けて次第に径が増大するような形状に形成されている。
【0018】
ランプ本体２の一端にＥ形の口金７が取り付けられている。さらに、ランプ本体２の他端に支持面８が形成されている。支持面８は、ランプ本体２の中心軸線と直交するフラットな面である。
【0019】
グローブ３は、例えばアクリルのような透明な合成樹脂材料を用いて円錐状に形成されている。グローブ３は、球面状の頂部３ａと、頂部３ａと向かい合う開口端部３ｂとを有している。開口端部３ｂは、グローブ３の最大径を規定している。グローブ３の開口端部３ｂは、ランプ本体２の他端に同軸状に結合されて、ランプ本体２の支持面８を覆っている。
【0020】
本実施形態によると、口金７を有するランプ本体２およびグローブ３は、互いに協働してシャンデリア球に類似した外形状を形作っている。
【0021】
グローブ３の形状は円錐形に限らず、半球形であってもよい。さらに、グローブ３を例えば乳白色の合成樹脂材料で構成し、グローブ３に光拡散性を付与するようにしてもよい。
【0022】
発光モジュール４は、ＬＥＤランプ１の光源を構成する要素である。図２に示すように、発光モジュール４は、長方形の絶縁基板１０、複数の発光ダイオード１１、フレーム１２および封止材１３を主要な要素として備えている。
【0023】
絶縁基板１０は、例えばねじ止め等の手段でランプ本体２の支持面８の中央部に固定されている。さらに、絶縁基板１０は、例えば熱伝導性グリースを介して支持面８に熱的に接続されている。
【0024】
発光ダイオード１１は、半導体発光素子の一例であって、絶縁基板１０の上にマトリクス状に配列されている。フレーム１２は、絶縁基板１０の外周部に接着されて、発光ダイオード１１を取り囲んでいる。
【0025】
封止材１３は、蛍光体粒子を含む透明又は半透明な樹脂材料で構成されている。封止材１３は、発光ダイオード１１を覆うようにフレーム１２で囲まれた領域に充填されている。
【0026】
封止材１３に含まれる蛍光体粒子は、発光ダイオード１１が発する光により励起されて、発光ダイオード１１が発する光と補色の関係にある色の光を発する。この結果、発光ダイオード１１が発する光と蛍光体粒子が発する光が封止材１３の内部で混じり合って白色の光となる。白色の光は、封止材１３の表面から放射される。
【0027】
したがって、封止材１３の表面は、面状に発光する四角い発光面１４を構成している。本実施形態によると、発光面１４から放射される光は、例えば波長が４００ｎｍから８００ｎｍまでの可視光であるが、光の波長は、これに限定されるものではない。
【0028】
図１および図２に示すように、発光モジュール４は、軸線としての真っ直ぐな光軸Ｏ１を有している。光軸Ｏ１は、発光面１４の中心Ｏ´又は中心Ｏ´の近傍を通って発光面１４およびランプ本体２の支持面８と直交する方向に延びている。
【0029】
発光面１４の中心Ｏ´とは、発光面１４の重心のことを指している。このため、中心Ｏ´は、発光面１４の上（以下、面の上と書いた時は、面上を示す）から外れていても良い。例えば発光面が円環形である場合、中心Ｏ´は、発光面の形状を規定する外円又は内円の中心であって、発光面の上に存在しない。
【0030】
発光面１４から放射される光の配光分布は、光軸Ｏ１に対して対称に近い分布となる。具体的には、発光面１４は、例えばランバーシアンに近い配光分布を有するが、配光分布はこれに限定されるものではない。
【0031】
本実施形態によると、発光モジュール４の発光面１４は、例えば短辺が１０ｍｍ、長辺が１６ｍｍの長方形であって、その発光面積Ｃが１６０ｍｍ２である。図２は、発光モジュール４を短辺の方向から見た状態を示している。
【0032】
発光面１４は、長方形に限らず、円形でもよい。円形の発光面１４の発光面積Ｃが１６０ｍｍ２の場合、発光面１４の半径rCは、【数1】
【0033】
で表すことができ、半径rC＝７．１ｍｍとなる。
【0034】
さらに、円の面積が発光面積Ｃの半分となるような円の半径rHCは、【数2】
【0035】
で表すことができ、半径rHC＝５．０ｍｍとなる。
【0036】
点灯回路５は、発光モジュール４の発光ダイオード１１に定電流を供給するための要素である。点灯回路５は、ランプ本体２の内部に収容されているとともに、口金７および発光ダイオード１１に電気的に接続されている。
【0037】
光学レンズユニット６は、発光モジュール４の発光面１４と対向するようにグローブ３の内側に収容されている。本実施形態では、光学レンズユニット６は、ランプ本体２の支持面８の上に支持されている。
【0039】
広配光レンズ１６は、光軸Ｏ１に対して回転対称となる形状を有している。ここで回転対称とは、光軸Ｏ１に対して対象物を回転させた時に、対象物が描く形状が元の形状に一致し、かつ回転角が３６０°未満のことである。
【0040】
広配光レンズ１６は、例えば透明なアクリルで構成されている。アクリルの屈折率 n は、１．４９である。広配光レンズ１６は、アクリルに限らず、例えばガラスあるいはポリカーボネートのような可視光が透過する透明な材料を使用することができ、広配光レンズ１６の材料に特に制約はない。
【0041】
図２に示すように、広配光レンズ１６は、同軸形の貫通孔１８、入射面１９、射出面２０および全反射面２１を備えている。
【0042】
貫通孔１８は、広配光レンズ１６を貫通するように光軸Ｏ１に沿って設けられている。入射面１９は、発光モジュール４の発光面１４と向かい合うフラットな面であり、その中央部に貫通孔１８が開口されている。入射面１９の外周部は、発光面１４の周囲に張り出すとともに、ランプ本体２の支持面８と向かい合っている。
【0043】
射出面２０は、入射面１９の外周縁から前記光軸Ｏ１を取り囲むように発光モジュール４から遠ざかる方向に延びている。さらに、射出面２０は、発光モジュール４から遠ざかるに従い、光軸Ｏ１に近づく方向に傾斜されたテーパ面となっている。言い換えると、射出面２０は、円錐状をなすグローブ３の周面に沿うように傾いている。
【0044】
全反射面２１は、射出面２０の先端縁と貫通孔１８に臨む入射面１９の内周縁との間を結んでいる。すなわち、全反射面２１は、貫通孔１８を規定する面であって、光軸Ｏ１を中心として入射面１９から遠ざかるに従い広配光レンズ１６の径方向に広がるように湾曲された形状を有している。
【0045】
本実施形態では、入射面１９、射出面２０および全反射面２１は、全て光沢面に仕上げられている。
【0046】
次に、図１および図２を用いて光軸Ｏ１の軸を含む広配光レンズ１６の断面形状について説明する。図１および図２において、入射面１９に沿って延びる線分と光軸Ｏ１とが交差する点を中心Ｏ７とし、入射面１９の上の任意な点をＱ４とする。
【0047】
点Ｑ４から光軸Ｏ１までの距離rQを、例えば前記半径rHC と等しい５．０ｍｍとすると、【数3】
【0048】
の関係が成立する。
【0049】
さらに、全反射面２１の上の任意な点をＰ６とし、点Ｐ６から広配光レンズ１６の内側に向かう法線Ｎ１を引いた時に、光が全反射する時の臨界角θCを
【数4】
【0050】
とすれば、点Ｐ６と点Ｑとを結ぶベクトルＰＱと法線Ｎ１とで規定される角θは、
【数5】
【0051】
の関係を満たす。
【0052】
本実施形態では、広配光レンズ１６がアクリルであるため、θCは４２．２°となる。
【0053】
次に、全反射面２１の具体的な形状について述べる。
【0054】
図２において、貫通孔１８の原点をＯ７とし、原点Ｏ７から光軸Ｏ１に沿って光が取り出される方向をｚ方向とし、原点Ｏ７から入射面１９に沿う方向をｘ方向とし、入射面１９の上で光軸Ｏ１に対する距離が最短となる点の前記光軸Ｏ１からの距離を l とすると、全反射面２１の形状は、【数6】
【0055】
【数7】
【0056】
で表すことができる。
【0057】
前記式（６）および式（７）において、媒介変数Θは、【数8】
【0058】
の範囲内に含まれる有限領域である。
【0059】
前記式（６）および式（７）において、実数定数θa は、【数9】
【0060】
の範囲の定数である。
【0061】
前記（６）および式（７）において、実数定数 l は、【数10】
【0062】
である。
【0063】
ここで、例えば媒介変数Θを、【数11】
【0064】
の全区間であるとすれば、前記式（８）を満たし、θa＝４７．７°であるとすれば、前記式（９）を満たし、l＝３．９であるとすれば、式（１０）を満たすとともに、【数12】
【0065】
を満たしている。 広配光レンズ１６の射出面２０は、射出面２０の上の任意な点から広配光レンズ１６の内側に向かう法線を引いた時に、当該法線が発光面１４を含む平面と交差するような形状を有している。
【0066】
図１および図２に示すように、広配光レンズ１６の入射面１９の外周部に凹部２３が形成されている。凹部２３は、発光モジュール４を取り囲むような円環形であるとともに、光軸Ｏ１の軸を含む断面の形状が半円のトーラス型である。本実施形態によると、凹部２３が規定する半円の直径は４ｍｍであるが、直径の値に特に制約はない。
【0067】
さらに、凹部２３は、トーラスの小円（半円）の中心が描く大円を有している。大円の半径rTは、【数13】
【0068】
の関係を満たし、本実施形態では、例えばrT＝１０ｍｍとしている。
【0069】
一方、光学レンズユニット６の拡散レンズ１７は、光拡散部の一例であって、例えば可視光が透過するアクリルで構成されている。拡散レンズ１７は、背面２５、表面２６および端面２７を有している。
【0070】
背面２５は、広配光レンズ１６の貫通孔１８を覆うように全反射面２１に面している。表面２６は、グローブ３の内側に露出するように背面２５の反対側に位置されている。背面２５および表面２６は、夫々発光モジュール４の光軸Ｏ１が同軸状に貫通する球面状であって、光軸Ｏ１を中心に全反射面２１から遠ざかる方向に盛り上がっている。
【0071】
本実施形態によると、表面２６は、多数の微細な凹凸が設けられた白色の光拡散面となっている。光拡散面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を表面２６に全面的に吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。
【0072】
光拡散面は、サンドブラストに限らず、光を拡散させる粒子を含む塗料を表面２６に塗布することで形成してもよい。さらに、光拡散面は、表面２６に限らず、背面２５に形成してもよいし、表面２６および背面２５の双方に形成してもよい。
【0073】
端面２７は、背面２５の外周縁と表面２６の外周縁との間を結ぶ円環形である。端面２７は、広配光レンズ１６の全反射面２１の外周部と向かい合うとともに、全反射面２１の曲率に沿うように湾曲されている。
【0074】
拡散レンズ１７の端面２７は、周方向に沿う複数個所が接着剤２９を介して広配光レンズ１６の全反射面２１に接着されている。これにより、拡散レンズ１７および広配光レンズ１６が互いに一体化されて、光学レンズユニット６を構成している。
【0075】
それとともに、拡散レンズ１７の端面２７と広配光レンズ１６の全反射面２１との間には、接着剤２９の箇所を除き隙間３０が確保されている。
【0076】
発光モジュール４の発光面１４のうち、広配光レンズ１６の入射面１９と向かい合う領域から放射された光は、入射面１９に入射する。一方、光軸Ｏ１が交わる発光面１４の中心付近の領域から発せられた光は、広配光レンズ１６の貫通孔１８を通過して拡散レンズ１７に入射する。
【0077】
具体的に述べると、図１に光線Ａで示すように、入射面１９の上の任意な点Ｑ４に入射された光は、広配光レンズ１６の内部を通過して全反射面２１に至る。当該光は、全反射面２１において射出面２０に向けて全反射されるとともに、射出面２０からグローブ３を透過してＬＥＤランプ１の周囲に放射される。
【0078】
同様に、入射面１９のうち点Ｑ４よりも光軸Ｏ１に近い位置で入射面１９に入射された光は、全反射面２１で全反射されて射出面２０に導かれた後、射出面２０からグローブ３を透過してＬＥＤランプ１の周囲に放射される。
【0079】
さらに、入射面１９のうち点Ｑ４よりも光軸Ｏ１から離れた位置で入射面１９に入射された光は、全反射面２１に対する入射角が臨界角θC 以上，あるいはそれに近い値で全反射面２１に入射する。このため、入射面１９から全反射面２１に達した光の一部は全反射面２１を透過するものの、大部分が射出面２０に向けて反射される。
【0080】
すなわち、入射面１９に入射された光の主要な成分は、全反射面２１で射出面２０に向けて反射された後に、射出面２０からグローブ３に向けて放射される。
【0081】
実際のところ、全反射面２１を前記式（６）および前記式（７）で規定される形状とすることにより、入射面１９の上の点Ｑ４から全反射面２１の上の任意な点Ｐ６に向かう光線Ａと、点Ｐ６から拡散レンズ１７に向かう外向きの法線とで規定される角がθaとなる。一方、θa は、前記式（９）を満たし、臨界角以上となる。この結果、全反射面２１の上で必ず全反射が起きる。
【0082】
ちなみに，式（６）および式（７）において、θa ＝θCとすれば、広配光レンズ１６は最もコンパクトな形状となる。
【0083】
以上のことから、入射面１９に入射された発光モジュール４の光の多くは、全反射面２１で射出面２０に向けて全反射され、最終的に射出面２０から広配光レンズ１６の径方向に沿う外側に広がるように放射されて照明用途に供される。
【0084】
広配光レンズ１６の径方向に広がる光の成分を十分に確保するためには、入射面１９の面積を十分に大きくする必要がある。理想的には、発光モジュール４の発光面１４が発する光の成分のうち、半分が射出面２０に導かれることが望ましい。
【0085】
これを実現するためには、広配光レンズ１６の入射面１９で発光モジュール４の発光面１４の半分以上を覆う必要がある。この条件は、前記式（３）で表すことができる。
【0086】
図４は、全反射面２１から射出面２０に至る光線をシミュレーションすることにより得られた光線図を示している。図４は、光軸Ｏ１の軸方向を含む光学レンズユニット６の断面の一部を示している。本シミュレーションでは、Synopsys社のLight Tools（登録商標）を使用した。
【0087】
図４によれば、入射面１９の上の点Ｑ４に入射された発光モジュール４の光は、広配光レンズ１６の内部を通過して全反射面２１に到達した後、全反射面２１で射出面２０に向けて全反射されることが分かる。
【0088】
全反射面２１が前記のような反射機能を発揮するためには、広配光レンズ１６の中心部に光軸Ｏ１が同軸状に貫通する貫通孔１８を設けることが肝要である。言い換えると、光が全反射面２１で全反射するためには、空気と全反射面２１との界面における屈折率の差が必須となる。
【0089】
図２は、光軸Ｏ１の軸を含む光学レンズユニット６の断面を示している。図２において、貫通孔１８を規定する全反射面２１は、光軸Ｏ１に最も接近された点Ｔを有する曲面である。点Ｔと点Ｑ４とを結ぶベクトルＴＱと、点Ｔから広配光レンズ１６の内側に向かう法線Ｎ２とで規定される角をα１とすると、角α１は、点Ｑ４から入射面１９に沿って光軸Ｏ１に向かう線分とベクトルＱＴとで規定される角α２と等しい。
【0090】
この結果、全反射面２１の上の点Ｔから光軸Ｏ１に向かう外向きの法線Ｎ３は、光軸Ｏ１と直交する。
【0091】
さらに、角α１は、点Ｔにおいて全反射される光線の全反射角と一致する。点Ｔと光軸Ｏ１との間の距離は、前記式（６）においてΘ＝θaとした時のXと等しい。
【0092】
具体的には、Xは、【数14】
【0093】
となる。
【0094】
広配光レンズ１６に貫通孔１８が存在するためには、前記式（１４）で表されるxが０よりも大きくなければならない。このとき、lは、【数15】
【0095】
の関係を満たす。
【0096】
ただし、lは、同時に式（１０）も満たさなければならない。
【0097】
つまり、前記式（１５）の左辺の最大値は１である。ここで、θaは、式（９）で表わされる範囲の値であり、この範囲において式（１５）の右辺が最少になるのは、θa=θCの時である。
【0098】
これを用いると、lは、少なくとも【数16】
【0099】
を満たさなくてはならない。
【0100】
図６は、式（１６）の右辺の値を座標で示した図である。図６において、横軸は、広配光レンズ１６の屈折率を示し、縦軸は、l の rQ に対する比を示している。図６によれば、広配光レンズ１６の屈折率が大きい程、l が小さい値まで許されることが分かる。
【0101】
一方、図１に光線Ｂで示すように、広配光レンズ１６の貫通孔１８を通過した光は、拡散レンズ１７に入射する。拡散レンズ１７に入射された光は、拡散レンズ１７の光拡散面を透過する過程で広範囲に拡散された後、グローブ３の頂部３ａに向けて放射される。
【0102】
図３は、発光面１４の中心Ｏ´の付近で広配光レンズ１６に向かう光線Ｂをシミュレーションすることにより得られた光線図を示している。図３は、光軸Ｏ１の軸を含む光学レンズユニット６の断面の一部を示している。
【0103】
図３によれば、発光面１４の中心Ｏ´の付近から広配光レンズ１６に向かう光は、広配光レンズ１６の貫通孔１８を通過して拡散レンズ１７に到達した後、拡散レンズ１７を透過してグローブ３の頂部３ａの方向に放射されることが分かる。
【0104】
さらに、本実施形態では、広配光レンズ１６の入射面１９のうち発光モジュール４の発光面１４を外れた外周部に凹部２３が設けられている。凹部２３は、発光面１４の周辺部から発せられた光が入射された時に、光の屈折方向をほとんど変えずに光を広配光レンズ１６の内部に導く。
【0105】
広配光レンズ１６の内部に導かれた光の多くは、広配光レンズ１６を透過して射出面２０に到達するとともに、射出面２０からグローブ３を透過してＬＥＤランプ１の周囲に放射される。
【0106】
これに対し、入射面１９の上に凹部２３が存在しない場合、入射面１９の外周部に入射された光の多くは、射出面２０で大きく屈折されてしまう。この結果、屈折された光が全反射面２１を透過し、拡散レンズ１７に向けて放射されたり、あるいは射出面２０で全反射されるのを否めない。
【0108】
図５によれば、発光面１４の周辺部から凹部２３に向かう光は、凹部２３に対する入射方向をほとんど変えずに広配光レンズ１６の内部を通過して射出面２０に到達した後、射出面２０から広配光レンズ１６の周囲に放射されていることが分かる。
【0109】
さらに、図７は、本実施形態に係るＬＥＤランプ１において、光学レンズユニット６を透過した光の配光分布を光線追跡シミュレーションした結果を示す。図７は、発光モジュール４の光軸Ｏ１に沿う光の取り出し方向（ｚ方向）を０°とする光線方向に対し、光度をレーダーチャートによって示している。
【0110】
図７によれば、光軸Ｏ１と直交する水平方向（ｘ方向）に放射される光の強さが大きく、光の最大光度が光軸Ｏ１に対して６０°〜７０°の範囲内にあることが分かる。０°方向の光度を最大にしたい場合は、拡散レンズ１７の拡散面を鏡面に近づけ、拡散効果を減らせばよい。さらに、図７に示す配光曲線によれば、最大光度の１／２の光度となる２方向で規定される配光角が、白熱電球並みの約３００°であることが分かる。
【0111】
第１の実施形態に係るＬＥＤランプ１によれば、広配光レンズ１６の入射面１９に入射された発光モジュール４の光は、全反射面２１で全反射されて光軸Ｏ１を取り囲む射出面２０から広配光レンズ１６の周囲に放射される。
【0112】
さらに、発光面１４の中心部から広配光レンズ１６の貫通孔１８に導かれた光は、貫通孔１８を通過して拡散レンズ１７に導かれるとともに、拡散レンズ１７から光軸Ｏ１に沿う光の取り出し方向に放射される。
【0113】
さらに、第１の実施形態によると、広配光レンズ１６の貫通孔１８の内面全面が全反射面２１を構成しているので、全反射面２１の面積を十分に確保することができる。しかも、全反射面２１は、光軸Ｏ１に最も接近した点Ｔを有するように湾曲された曲面であるので、入射面１９から全反射面２１に向かう光のほとんどの成分を射出面２０に向けて全反射させることができる。
【0114】
この結果、発光モジュール４の発光面１４が発する指向性の強い光を、光学レンズユニット６を用いて全方位に広げることができ、ＬＥＤランプ１の口金７の方向へ回り込む光の量を増やすことができる。
【0115】
したがって、白熱電球と同等の配光角を有するＬＥＤ電球１を提供することができ、広配光を実現できる。
【0116】
それとともに、第１の実施形態では、広配光レンズ１６の全反射面２１の外周部と拡散レンズ１７の端面２７との間に、接着剤２９の箇所を除き隙間３０が確保されている。隙間３０は、全反射面２１の外周部と端面２７との間に空気層を形成するので、空気層と全反射面２１の外周部との間の界面に屈折率差が生じる。
【0117】
この結果、入射面１９から全反射面２１の外周部に導かれた光は、全反射面２１の外周部で全反射されて射出面２０に導かれる。したがって、射出面２０により多くの光を導くことができ、この点でも広配光を得る上で好都合となる。
【0118】
加えて、第１の実施形態によると、発光面１４の中心部から広配光レンズ１６の貫通孔１８に導かれた光が拡散レンズ１７を透過して光の取り出し方向に放射される。このため、全反射面２１は、入射面１９から導かれた光の大部分を射出面２０に向けて全反射させる形状とすればよく、射出面２０にしても、全反射面２１から導かれた光の屈折方向を大きく変えることなく放射できる形状とすればよい。
【0119】
言い換えると、射出面２０は、射出面２０の上の任意な点から広配光レンズ１６の内側に向かう法線を引いた時に、当該法線が発光面１４を含む平面と交差するような形状とすればよい。これにより、射出面２０は、発光モジュール４から遠ざかるに従い、光軸Ｏ１に近づく方向に傾斜されたテーパ面となる。
【0120】
したがって、射出面２０が広配光レンズ１６の径方向に広がることはなく、広配光レンズ１６をコンパクト化することができる。よって、広配光レンズ１６をグローブ３の内側に収めるに際して寸法的な制限が緩和され、例えばシャンデリア球に類似した小形のグロ−ブ３の内側に広配光レンズ１６を無理なく収めることができる。
【0121】
さらに、第１の実施形態では、全反射面２１は、広配光レンズ１６を貫通する貫通孔１８の内面全面によって構成されているので、全反射面２１が円錐状に窪むような複雑な形状とならずに済む。
【0122】
このため、全反射面２１の加工を容易に行うことができ、広配光レンズ１６の製造コストを低減できる。それとともに、全反射面２１の加工精度を高めて所望の光反射性能を得ることができるといった利点がある。
【0123】
なお、拡散レンズ１７を広配光レンズ１６から離す構成としてもよい。この構成によれば、拡散レンズ１７と広配光レンズ１６との間を通じて貫通孔１８に空気を流入することができ、自然対流によって発光モジュール４を冷やす効果が得られる。
【0125】
第２の実施形態は、広配光レンズ１６の形状が第１の実施形態と相違している。これ以外のＬＥＤランプ１の構成は、第１の実施形態と同様である。そのため、第２の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【0126】
図８に示すように、広配光レンズ１６は、逃げ部４１を有している。逃げ部４１は、入射面１９と射出面２０との間に跨るとともに、広配光レンズ１６の周方向に連続して形成されている。逃げ部４１は、発光モジュール４の発光面１４よりも広配光レンズ１６の径方向に沿う外側に位置されている。
【0127】
さらに、逃げ部４１は、ランプ本体２の支持面８と向かい合う外周面４２を有している。外周面４２は、入射面１９から射出面２０に向けて支持面８から遠ざかるとともに、広配光レンズ１６の内側に向けて凹むように円弧状に湾曲されている。
【0128】
第２の実施形態によると、広配光レンズ１６に逃げ部４１を設けたことで、発光面１４の周辺部から発せられた光は、図８に実線の矢印で示すように、広配光レンズ１６に入射することなく逃げ部４１を通過してグローブ３の開口端部３ｂの方向に導かれる。
【0129】
言い換えると、発光面１４の周辺部から発せられた光が、広配光レンズ１６の入射面１９で反射して発光面１４に戻ろうとするのを回避できる。このため、光の損失を極力少なく抑えて、光を広配光レンズ１６の径方向に沿う外側に向けて積極的に放射することができる。
【0130】
よって、配光角が広いＬＥＤランプ１を得ることができる。
【0132】
第３の実施形態は、ＬＥＤランプ１の光源として複数のＳＭＤ(surface mount device)型の発光モジュール５１を使用した点が第１の実施形態と相違しており、光学レンズユニット６の構成は、基本的に第１の実施形態と同様である。
【0133】
図９に示すように、ＳＭＤ型の発光モジュール５１は、ランプ本体２の支持面８の上に光軸Ｏ１を中心として円環状に配列されている。
【0134】
各発光モジュール５１は、ベース５２を有している。ベース５２は、広配光レンズ１６に向けて開口された凹部５３を含み、当該凹部５３の底に発光ダイオード５４が実装されている。発光ダイオード５４は、凹部５３に充填された封止材５５によって覆われている。封止材５５は、蛍光体粒子を含んでいる。
【0135】
封止材５５に含まれる蛍光体粒子は、発光ダイオード５４が発する光により励起されて、発光ダイオード５４が発する光と補色の関係にある色の光を発する。この結果、発光ダイオード５４が発する光と蛍光体粒子が発する光が封止材５５の内部で混じり合って白色の光となる。白色の光は、封止材５５の表面から放射される。
【0136】
封止材５５の表面は、面状に発光する発光面５６を構成している。発光面５６は、発光モジュール５１の配列方向に沿って円環状に連続されている。このことから、円環状に連続する発光面５６の重心は、円環形の発光面５６の形状を規定する外円又は内円の中心であって、光軸Ｏ１の上に位置されている。さらに、円環形の発光面５６は、広配光レンズ１６の凹部２３と向かい合っている。
【0137】
本実施形態では、全反射面２１の入射面１９に連なる端部に凹所５８が形成されている。凹所５８は、貫通孔１８の周方向に連続するとともに、支持面８の中央部と向かい合う内面５９を有している。内面５９は、広配光レンズ１６の内側に向けて凹むように円弧状に湾曲されている。このため、凹所５８の内面５９は、入射面１９の上の凹部２３に入射された光を全反射面２１に向けて反射させる反射面として機能する。
【0138】
発光モジュール５１の発光面５６から発せられた光は、図９に実線の矢印で示すように、入射面１９の上の凹部２３に入射される。凹部２３に入射された光は、光の屈折方向を大きく変えることなく広配光レンズ１６の内部に導かれて全反射面２１に到達する。全反射面２１に達した光は、全反射面２１で全反射されて射出面２０に向かうとともに、射出面２０から放射される。
【0139】
第３の実施形態によると、発光モジュール５１が発する光は、入射面１９の上の凹部２３に入射される。この結果、入射面１９におけるフレネル反射による光の損失を少なく抑えることができ、光を効率よく広配光レンズ１６に導くことができる。
【0141】
第４の実施形態は、グローブ６１の形状が前記第１の実施形態と相違している。これ以外のＬＥＤランプ１の構成は、第１の実施形態と同様である。そのため、第４の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【0142】
図１０に示すように、グローブ６１は、ランプ本体２の支持面８および光学レンズユニット６よりも径が大きい球形であり、ランプ本体２から放射状に延びる複数のステー６２で支持されている。グローブ６１は、光軸Ｏ１に対し同軸状に設けられているとともに、支持面８を含むランプ本体２の他端部および光学レンズユニット６を覆っている。
【0143】
グローブ６１は、例えばアクリルのような透明な合成樹脂材料で構成されているが、グローブ６１は透明でなくともよい。例えば、グローブ６１を例えば乳白色の合成樹脂材料で構成し、グローブ６１に光拡散性を付与するようにしてもよい。
【0144】
図１０に示すように、グローブ６１は、第１の通気孔６３および第２の通気孔６４を有している。第１の通気孔６３および第２の通気孔６４は、光学レンズユニット６を間に挟んで光軸Ｏ１の軸方向に同軸状に開口されている。本実施形態では、ランプ本体２の中間部が第１の通気孔６３を貫通し、光学レンズユニット６の拡散レンズ１７が第２の通気孔６４に臨んでいる。
【0145】
グローブ６１の内側に、空気が流れる流路６５が形成されている。流路６５は、第１の通気孔６３および第２の通気孔６４に通じている。さらに、ランプ本体２の他端部および光学レンズユニット６が流路６５に露出されている。
【0146】
第４の実施形態によると、発光モジュール４は、点灯中に発熱を伴う。発光モジュール４が発した熱は、ランプ本体２の支持面８を通じてランプ本体２に拡散されるとともに、ランプ本体２の外周面から大気中に放出される。この結果、ランプ本体２の他端部を覆うグローブ６１の内側の空気が温められ、グローブ６１の内側の流路６５に対流が生じる。
【0147】
具体的には、図１０に示すように、光学レンズユニット６の拡散レンズ１７を上向きにした姿勢でＬＥＤランプ１を点灯させた場合、流路６５内の空気が自然対流により上昇する。これにより、ランプ本体２から放出された熱を受けて温められた流路６５内の空気が第２の通気孔６４からグローブ６１の外に放出される。
【0148】
それとともに、グローブ６１の外の空気が第１の通気孔６３から流路６５内に導入される。この結果、図１０に実線の矢印で示すように、空気がグローブ６１の内側の流路６５に沿って流通する。
【0149】
同様に、口金７を上向きにした姿勢でＬＥＤランプ１を点灯させた場合は、流路６５内の空気が第１の通気孔６３からグローブ６１の外に放出されるとともに、グローブ６１の外の空気が第２の通気孔６４から流路６５内に導入される。この結果、空気がグローブ６１の内側の流路６５に沿って流通する。
【0150】
このような第４の実施形態によれば、ＬＥＤランプ１を点灯させると、グローブ６１の内側の流路６５に自然対流が生じ、当該流路６５を流れる空気によりランプ本体２の外周面が強制的に冷やされる。
【0151】
よって、ランプ本体２の放熱性が向上し、発光モジュール４の熱を効率よく大気中に放出することができる。
【0153】
第５の実施形態は、グローブを省略して光学レンズユニット６をＬＥＤランプ１の外に露出させた点が第１の実施形態と相違している。ランプ本体２、発光モジュール４および光学レンズユニット６の基本的な構成は、第１の実施形態と同様である。このため、第５の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成部分は同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【0154】
図１１に示すように、放熱部としてのランプ本体２は、口金７の反対側に支持部７１を有している。支持部７１は、球面状に形成されているとともに、その外周面の一部に支持面７２が形成されている。支持面７２は、光軸Ｏ１に直交するフラットな面であって、当該支持面７２の上に発光モジュール４が支持されている。発光モジュール４は、熱伝導性グリースを介して支持面７２に熱的に接続されている。
【0155】
図１１に示すように、光学レンズユニット６の広配光レンズ１６は、円筒状の延出部７３を備えている。延出部７３は、入射面１９の外周縁部からランプ本体２の支持部７１に向けて一体に延出されるとともに、支持部７１を同軸状に取り囲んでいる。
【0156】
支持部７１は、外周面７４ａおよび内周面７４ｂを有している。外周面７４ａは、広配光レンズ１６の射出面２０に連続されている。外周面７４ａおよび射出面２０は、球面状に湾曲されているとともに、延出部７３の先端に向けて広配光レンズ１６の径方向に広がるような形状を有している。
【0157】
内周面７４ｂは、広配光レンズ１６の入射面１９の外周縁に連続するとともに、ランプ本体２の支持部７１の外周面に沿うように球面状に湾曲されている。支持部７１の外周面と延出部７３の内周面７４ｂとの間には、周方向に連続する隙間７５が形成されている。
【0158】
さらに、広配光レンズ１６の延出部７３は、入射面１９から遠ざかるに従い肉厚が減少するような先細り状に形成されている。
【0159】
本実施形態によると、延出部７３の内周面７４ｂは、多数の微細な凹凸が設けられた白色の光拡散面となっている。光拡散面は、例えば直径が１００μｍの研磨材を内周面７４ｂに吹き付ける、いわゆるサンドブラストによって形成されている。
【0160】
光拡散面は、サンドブラストに限らず、光を散乱させる粒子を含む塗料を内周面７４ｂに塗布することで形成してもよい。光拡散面は、内周面７４ｂに限らず、外周面７４ａに形成してもよいし、外周面７４ａおよび内周面７４ｂの双方に形成してもよい。さらに、延出部７３の外周面７４ａおよび内周面７４ｂの双方を光沢面としてもよい。
【0161】
したがって、第５の実施形態では、広配光レンズ１６がランプ本体２に一体的に連続するような形状に形成されて、当該広配光レンズ１６および拡散レンズ１７がグローブとしての機能を兼ねている。
【0162】
図１１に光線Ｄで示すように、広配光レンズ１６の全反射面２１から射出面２０に導かれた光の一部は、射出面２０で光軸Ｏ１の軸方向に屈折されて延出部７３に入射される。延出部７３に入射された光は、球面状に湾曲された内周面７４ｂで拡散された後、外周面７４ａを通じて広配光レンズ１６の外に放射される。
【0163】
第５の実施形態によると、広配光レンズ１６がランプ本体２の支持部７１を取り囲む延出部７３を有し、当該延出部７３に発光モジュール４の発光面１４から発せられた光が導かれる。このため、広配光レンズ１６の発光領域が拡張されるとともに、光を広配光レンズ１６の径方向に広がるように積極的に放射することができる。
【0164】
よって、光の広がり具合を改善することができ、配光角が広いＬＥＤランプ１を得ることができる。
【0165】
しかも、第５の実施形態によると、発光モジュール４が発した熱は、ランプ本体２の支持部７１からランプ本体２に拡散され、ランプ本体２の外周面から大気中に放出される。この際、ランプ本体２の支持部７１は、広配光レンズ１６の延出部７３で取り囲まれているので、延出部７３がランプ本体２の放熱を妨げることが考えられる。
【0166】
しかるに、広配光レンズ１６の延出部７３は、入射面１９から遠ざかるに従い肉厚が減少するような先細り状に形成されている。広配光レンズ１６を構成するアクリルは、肉厚を薄くする程、熱を伝え易い特性を有する。
【0167】
このため、支持部７１の外周面に伝えられた発光モジュール４の熱は、広配光レンズ１６の延出部７３を伝わって大気中に放出される。したがって、広配光レンズ１６の延出部７３が放熱部を兼ねるランプ本体２の放熱性を損なうことはなく、発光モジュール４の熱を大気中に効率よく放出することができる。
【0168】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0169】
１…ＬＥＤランプ、４…光源（発光モジュール）、６…光学レンズユニット、１１…半導体発光素子（発光ダイオード）、１４…発光面、１６…広配光レンズ（光学素子）、１８…貫通孔、１９…入射面、２０…射出面、２１…全反射面、Ｏ１…軸線（光軸）。