JP2011076965A - Ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光面の大きな照明用ＬＥＤを用いて効率良く集光することができ、また照射ムラもほとんどないライトガイド照明装置用のＬＥＤ光源装置を提供する。
【解決手段】多数のＬＥＤ素子を面状に配列しパッケージ化した照明用ＬＥＤを、光ファイバー繊維の束からなるライトガイドの入射端面に近接して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライトガイド用照明装置に用いて好適なＬＥＤ光源装置に関するものである。

一般に、ＬＥＤを光源としたライトガイド照明装置は、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等の光源と同様に、レンズで集光したり、凹面反射鏡を使用したり、または両方を使用して、ライトガイドに入射していた（例えば、特許文献１〜３）。

レンズや凹面反射鏡を使用してライトガイドにＬＥＤ素子の光を入射させる場合、集光効率を上げるためには、ＬＥＤの発光面は可能な限り小さくする必要がある。
また、ＬＥＤの発光はほとんど方向性のない自然発光であるため、その発光角度は、レンズで集光のために受光できる角度より大きく、従ってレンズで受光できない光の量も多く、集光効率が悪い。

さらに、通常は、レンズで集光できる受光角よりも、ライトガイドの受光角（開口角）の方が大きい。一般的な数値を上げると、ＬＥＤ光の広がり角は120°、レンズで受光できる角度は60°、ライトガイドの受光角は最大で120°である。

特開2003-168309号公報 特開2004-247312号公報 特開2005-093622号公報

上述したとおり、ＬＥＤを光源とした従来のライトガイド照明装置は、レンズやミラー等で集光していたため、発光面の大きな照明用ＬＥＤでは効率良く集光することができず、発光面の小さい、極めて限定されたＬＥＤしか使用できないという問題があった。
また、ライトガイドの受光角は十分に広いにもかかわらず、レンズで集光した場合には、ＬＥＤの狭い発光角の光しか集光できないため、集光効率が悪いところにも問題を残していた。
さらに、レンズで集光した場合、集光された光線は平行光に近い光線となり、受光角（開口角）の広いライトガイドを使用しても、出射される光は中心部のみが明るく、周辺部にいくに従って光量が急激に低下するという、照射ムラが大きいという問題もあった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されもので、発光面の大きな照明用ＬＥＤを用いて効率良く集光することができ、また照射ムラもほとんどないライトガイド照明装置用のＬＥＤ光源装置を提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、多数のＬＥＤ素子を面状に配列しパッケージ化した照明用ＬＥＤに対して、レンズやミラー等の光学素子を一切使用することなく、光ファイバー繊維を束にした、いわゆるライトガイドの入射端面を、極力接近させて設置することにより、ライトガイドの受光角（開口角）全体でＬＥＤの発光光を効率良く受光することができ、その結果、明るく均一な出射光で照明することが可能になることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．多数のＬＥＤ素子を面状に配列しパッケージ化した照明用ＬＥＤを、光ファイバー繊維の束からなるライトガイドの入射端面に近接配置としたことを特徴とＬＥＤ光源装置。

２．前記照明用ＬＥＤと前記ライトガイドの入射端面との距離をｔ、照明用ＬＥＤを構成するＬＥＤ素子群の径をＬ、ライトガイドの入射端面の径をＦ、ライトガイドの開口角（開口数）をθとしたとき、これらが下記（１）式
ｔ≧｛（Ｆ−Ｌ）／２｝／ｔａｎθ ・・・（１）
の関係を満足することを特徴とする前記１記載のＬＥＤ光源装置。

３．前記パッケージ化した照明用ＬＥＤに電流を供給する方式として、ユニット化した切片端子と照明用ＬＥＤの外形に合わせてカットされたプリント基板を使用し、ＬＥＤの交換と位置決めを容易にしたことを特徴とする前記１または２記載のＬＥＤ光源装置。

本発明のＬＥＤ光源装置によれば、レンズやミラー等の光学素子を一切用いることなく、多数のＬＥＤ素子が面状に配列されパッケージ化された照明用ＬＥＤを使用でき、しかもライトガイドの開口角全体にわたってＬＥＤ光を受光し、出射することができるので、従来に比べて、出射光全体の光量が増大すると共に、周辺部の明るさも増大させることができる。
また、本発明のＬＥＤ光源装置は、非常にコンパクトで、しかもＬＥＤの交換と位置決めを容易かつ簡便に行うことができる。

本発明の基本的な構成図である。 一般的な従来構成を示した図である。 本発明と従来法に従う場合の光量分布特性を比較して示した図である。 本発明の具体的な実施例を示した図である。 切片端子を用いたＬＥＤ保持構造図である。 図５の組み立て構造図である。 本発明を一般光源装置とした場合の構造図である。

以下、本発明のＬＥＤ光源装置を、図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明に従うＬＥＤ光源装置の基本構造を示したものである。図１（ａ）は、多数のＬＥＤ素子を面状に配列しパッケージ化した照明用ＬＥＤの正面図で、図中、番号１が照明用ＬＥＤ、２は個々のＬＥＤ素子、３，４は電流導入端子である。図１（ｂ）は、照明用ＬＥＤ１とライトガイド５の入射端面６とを近接に配置した状態を示した側面図である。なお、（照明用ＬＥＤ１→ライトガイド５）は、光ファイバー繊維の束で構成されている。

本発明において、照明用ＬＥＤとライトガイドの入射端面とを近接配置にする際の「近接」とは、照明用ＬＥＤとライトガイド入射端面との距離ｔが３mm以内を意味する。
そして、これら照明用ＬＥＤとライトガイドの入射端面との間には、従来のようにレンズやミラー等を設置することはなく、照明用ＬＥＤからの照射光を直接、ライトガイドの入射端面で受光するのである。

また、本発明において、高い集光効率を達成するためには、照明用ＬＥＤ１とライトガイド入射端面６の距離をｔ、ＬＥＤ素子群の径をＬ、ライトガイドの入射端面６の口径をＦ、ライトガイドの開口角（開口数）をθとしたとき、これらについて、次式（１）
ｔ≧｛（Ｆ−Ｌ）／２｝／ｔａｎθ ・・・（１）
の関係を満足させることが好適である。
なお、ＬＥＤ素子群の径Ｌについては、ＬＥＤ素子群が図示したような矩形の場合には対角線の長さをＬとし、またＬＥＤ素子群が円形の場合には直径の長さをＬとすればよい。
同様に、ライトガイド入射端面の口径Ｆについても、その形状が矩形の場合には対角線の長さをＦとし、また円形の場合には直径の長さをＦとすればよい。

図２は、従来の一般的な集光方法を示すものであり、発光部の大きさが小さい従来のＬＥＤ７を光源とし、集光レンズ８により集光し、ライトガイド５の入射端面６に集光させている。なお、図中、番号９はライトガイド５の出射端面である。
上記の従来法では、図示したように、ＬＥＤ７からの発光光を全て集光することはできない。また、集光レンズ８によってＬＥＤ７の発光光の発光角度が狭くなる、すなわちＮＡ（開口角）が小さく変換されるため、ライトガイド５を構成している光ファイバーのＮＡよりも小さくなってしまう。
その結果、ライトガイド５から出射される光は、図３中、番号10で示すように、中心部のみが明るく、周辺が著しく暗い光量分布となる。

図４は、図１の構成を全体的に表したもので、照明用ＬＥＤ１を式（１）を満足する条件で設置した場合である。
この場合は、ＬＥＤ７からの発光光をほぼ全て集光することができ、また集光レンズを用いることがないので、ＬＥＤ７の発光光の発光角度が狭くなることもない。
その結果、本発明のＬＥＤ光源装置を用いた場合の光量分布は、図３中、番号11で示すような分布となる。すなわち、ライトガイドのＮＡ全体にわたって、すなわち中心部は勿論のこと周辺部も明るくなり、絶対光量（曲線で囲まれる面積で表される）も従来に比べると格段に多くなる。

図５は、照明用ＬＥＤを、電線等の半田付け配線によらず、ユニット化した切片端子12によって接続する構造を示すものである。
すなわち、切片端子12を垂直に設置し、ネジ部分13に電流が流れるようにプリント配線され、中央にライトガイドの通過穴が開口した切片プリント基板14と、照明用ＬＥＤの外形に合わせてカットされた保持プリント基板15に、電流伝達スペーサー16を設置して、切片プリント基板14と接続する構造にしたものである。
かような構造とすることにより、照明用ＬＥＤ１の交換および位置決めが極めて容易となる。

図６は、図５の組み立て状態を示すもので、固定ネジ17により切片プリント基板14と保持プリント基板15を連結固定する。このとき、切片端子12が照明用ＬＥＤ１の電流導入端子３，４と接触し、電源部よりプリント配線によって配線されている電流伝達スペーサー16を介して電流の導入が可能となる。

図７は、図１及び図５，６の構成になる本発明に従う光源装置を実機に組み込んだ状態を示す構造図で、保持プリント基板15及び照明用ＬＥＤ１をヒートシンク19に設置し、好ましくは式（１）を満足する条件でライトガイド５の入射端面が位置するように、ライトガイド５の口金20を設置したものである。なお、図中、番号21は電源、22は空冷ファンであり、これらは必要に応じて設置することができる。

ここに、照明用ＬＥＤを交換する場合には、図７に示すライトガイド口金20を取り外したのち、固定ネジ17を取り外し、ついで照明用ＬＥＤ固定ネジ18を取り外すことで、照明用ＬＥＤの交換を容易に行うことができる。
また、照明用ＬＥＤの外形に合わせてカットされた保持プリント基板の切り込み部分に照明用ＬＥＤを設置することによって、照明用ＬＥＤの正確な位置決めが可能である。

本発明のＬＥＤ光源装置は、従来に比べ、非常にコンパクトなだけでなく、ライトガイドの出射光全体の光量を増大することができ、さらに中心部のみならず周辺部も明るくすることができ、特にライトガイド用照明装置に適用して偉効を奏する。

１ 照明用ＬＥＤ
２ ＬＥＤ素子群
３，４ 電流導入端子
５ ライトガイド
６ ライトガイド入射端面
７ 従来型ＬＥＤ
８ 集光レンズ
９ ライトガイド出射端面
10 従来方式の光量分布
11 本発明方式の光量分布
12 切片端子
13 プリント配線
14 切片プリント基板
15 保持プリント基板
16 電流伝達スペーサー
17 固定ネジ
18 照明用ＬＥＤ固定ネジ
19 ヒートシンク
20 ライトガイド口金
21 電源
22 空冷ファン

Claims (3)

1. 多数のＬＥＤ素子を面状に配列しパッケージ化した照明用ＬＥＤを、光ファイバー繊維の束からなるライトガイドの入射端面に近接配置としたことを特徴とＬＥＤ光源装置。
2. 前記照明用ＬＥＤと前記ライトガイドの入射端面との距離をｔ、照明用ＬＥＤを構成するＬＥＤ素子群の径をＬ、ライトガイドの入射端面の口径をＦ、ライトガイドの開口角（開口数）をθとしたとき、これらが下記（１）式
   ｔ≧｛（Ｆ−Ｌ）／２｝／ｔａｎθ ・・・（１）
   の関係を満足することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ光源装置。
3. 前記パッケージ化した照明用ＬＥＤに電流を供給する方式として、ユニット化した切片端子と照明用ＬＥＤの外形に合わせてカットされたプリント基板を使用し、ＬＥＤの交換と位置決めを容易にしたことを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤ光源装置。

Images