JP5656461B2

JP5656461B2 - 発光装置

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Publication number: JP5656461B2
Application number: JP2010134800A
Authority: JP
Inventors: 恵一望月
Original assignee: KOIKE, YASUHIRO; Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: KOIKE, YASUHIRO; Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: US20110305026A1; JP2012003845A; US8613531B2

Description

本発明は、発光装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を光源に用いた発光装置としては、以下のものが提案されている。この発光装置は、配光の均一性の低下を抑制した電球型ＬＥＤランプである。この電球型ＬＥＤランプは、複数のＬＥＤをＬＥＤ基板本体の一主面の中心位置の外縁側にそれぞれ偏位して配置しているものである。

特開２０１０−０３３９５９号公報

特許文献１に記載されている電球型ＬＥＤランプは、ＬＥＤをＬＥＤ基板本体の一主面に配置しているため、そのＬＥＤ基板本体の一主面とは反対側の面側には、光が照射され難い。そのため、この電球型ＬＥＤランプは、従来の白熱電球のように発光部から放射状に光が照射されるような配光状態は得られ難くなっている。するとこの電球型ＬＥＤランプは、従来の白熱電球の完全な代替品とはならない場合がある。たとえば、天井から所定距離離れた位置に電球を配置している場合、この電球型ＬＥＤランプを用いると、電球から天井までの範囲を照射せず、天井付近が薄暗くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、ＬＥＤ等の発光素子を基板上に配置した電球型であっても、従来の白熱電球に近い配光状態となる発光装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、基板上に発光素子が設けられる発光装置において、発光素子から発光された光が入射し、入射した光が出射される出射面を有する導光体を備え、この導光体は、光散乱粒子を含有する光散乱導光体であり、出射面は、出射面に臨界角で入射した光を、発光装置の光軸と直交する方向よりも基板面側に向けて全反射させることができる全反射面として、前記基板と対向する基板対向出射面と、前記基板の端部側に位置する側部出射面とを有し、前記基板対向出射面は、曲率中心が前記出射面を挟んで前記発光素子と反対側に位置する曲面であり、出射面は、全反射面で全反射された光を基板面側に屈折させて出射させる屈折面を有し、導光体の全反射面と反対側の面には、光軸の周りに環状に形成され、基板から全反射面側に断面三角形に凹み、出射面で基板側に向けて全反射した光の一部を屈折面側に向けて全反射する反射面を有する円環状部が形成されている。

ここで、出射面は、出射面を挟んで発光素子と反対側に曲率中心が位置する曲面を有することが好ましい。

また、発光素子が有する基板には、電源側のソケットに取り付けられるプラグが備えられていることが好ましい。

本発明では、ＬＥＤ等の発光素子を基板上に配置した構成であっても、従来の白熱電球に近い配光状態となる発光装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置の構成を示す斜視図である。図１に示す発光装置の縦断面図であり、プラグが省略されている図である。図１および図２に示す導光体中の光散乱粒子となるシリコーン粒子の散乱原理を示す図で、単一真球粒子による散乱光強度の角度分布（Α、Θ）を示すグラフである。図２に示す発光装置の縦断面図に光路を加えた図であり、図２に示す導光体に付したハッチングを省略し、またカバーおよびプラグを省略している。本発明の実施の形態に係る発光装置の変形例の構成を示す縦断面図であり、プラグおよびカバーが省略されている図である。本発明の実施の形態に係る発光装置の変形例の構成を示す縦断面図であり、プラグおよびカバーが省略されている図である。発光装置の参考例の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光学素子および発光装置の構成、ならびにそれらの作用について、図面を参照しながら説明する。

（発光装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置１の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す発光装置１の縦断面図であり、後述するプラグ１２が省略されている図である。

発光装置１は、基板３上に発光素子であるチップ型のＬＥＤ２と導光体５が備えられている電球型の発光装置である。ＬＥＤ２から発光された光は導光体５に入射し、出射面４から出射する。この出射面４は、基板３と対向する基板対向出射面６と、基板３の端部７側に位置する側部出射面８とを有する。基板対向出射面６は、曲率中心が出射面４を挟んでＬＥＤ２と反対側に位置する曲面を呈している。側部出射面８は、基板３から離れるに従って光軸Ｘに近づくように傾斜する斜面となっている。また、側部出射面８は、光軸Ｘから離れる方向に膨出する湾曲形状を呈している。また、基板対向出射面６は、基板対向出射面６に臨界角で入射した光を、発光装置１の光軸Ｘと直交する方向よりも基板３面側に向けて全反射させることができる全反射面を有している。また、側部出射面８は、基板対向反射面６で全反射された光を基板３の側に屈折させて出射させることができる屈折面を有している。

また、発光素子１が有する基板３は、プラグ１２に取り付けられている。ここでプラグ１２は、ＬＥＤ２へ給電しＬＥＤ２を発光させるための電力供給機構（図示省略）を備えている。そして、導光体５の外側には、半球状の透明のカバー１３が備えられている。導光体５の基板対向出射面６および側部出射面８は、カバー１３によりドーム状に覆われている。

導光体５のうち、基板対向出射面６とは反対側の面には、光入射部１４が形成されている。光入射部１４は、円錐状の切り欠き部でありＬＥＤ２から発せられた光が入射する。この光入射部１４の円錐の中心軸は、発光装置１の光軸Ｘと同軸である。また、基板対向出射面６の反対側の面には、光軸Ｘ側から順に、第１の円環状部１５と第２の円環状部１６とが形成されている。第１の円環状部１５と第２の円環状部１６は、光軸Ｘの周りに環状に形成されている。また、第１の円環状部１５、第２の円環状部１６は、基板３側から基板対向出射面６側に断面三角形に凹んだ形状となっている。

導光体５は、透明のポリメチルメタクリレート（以下、「ＰＭＭＡ」と略記する。）からなる樹脂成形体である。そして、導光体５には、シリコーン粒子が含有されている。以下、導光体１に含有されているシリコーン粒子について説明する。このシリコーン粒子は、体積的に一様な散乱能が与えられた導光体であり、散乱微粒子としての球形粒子を多数含んでいる。導光体１の内部に光が入射すると、その光は散乱微粒子によって散乱することになる。

ここで、シリコーン粒子の理論的な基礎を与えるＭｉｅ散乱理論について説明する。Ｍｉｅ散乱理論は、一様な屈折率を有する媒体（マトリックス）中に該媒体と異なる屈折率を有する球形粒子（散乱微粒子）が存在するケースについてマックスウェルの電磁方程式の解を求めたものである。光散乱粒子に相当する散乱微粒子によって散乱した散乱光の角度に依存した強度分布Ｉ（Α、Θ）は下記（１）式で表される。Αは、散乱微粒子の光学的大きさを示すサイズパラメータであり、マトリックス中での光の波長λで規格化された球形粒子（散乱微粒子）の半径ｒに相当する量である。角度Θは散乱角で、入射光の進行方向と同一方向をΘ＝１８０°にとる。

また、（１）式中のｉ_１、ｉ_２は（４）式で表される。そして、（２）〜（４）式中の下添字ν付のａおよびｂは（５）式で表される。上添字１および下添字νを付したＰ（ｃｏｓΘ）は、Ｌｅｇｅｎｄｒｅの多項式、下添字ν付のａ、ｂは１次、２次のＲｅｃａｔｔｉ−Ｂｅｓｓｅｌ関数Ψ_＊、ζ_＊（ただし、「＊」は下添字νを意味する。）とその導関数とからなる。ｍはマトリックスを基準にした散乱微粒子の相対屈折率で、ｍ＝ｎｓｃａｔｔｅｒ／ｎｍａｔｒｉｘである。

図３は、上記（１）〜（５）式に基づいて、単一真球粒子による強度分布Ｉ（Α、Θ）を示すグラフである。この図３では、原点Ｇの位置に散乱微粒子としての真球粒子があり、下方から入射光が入射した場合の散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）を示している。そして、原点Ｇから各曲線までの距離が、それぞれの散乱角方向の散乱光強度である。ひとつの曲線はΑが１．７であるときの散乱光強度、別の曲線はΑが１１．５であるときの散乱光強度、さらに別の曲線はΑが６９．２であるときの散乱光強度である。なお、図３においては、散乱光強度を対数目盛で示している。このため、図３では僅かな強度差として見える部分が、実際には非常に大きな差となる。

この図３に示すように、サイズパラメータΑが大きくなればなるほど（ある波長λで考えた場合は真球粒子の粒径が大きくなればなるほど）、上方（照射方向の前方）に対して指向性高く光が散乱されていることがわかる。また、実際のところ、散乱光強度の角度分布Ｉ（Α、Θ）は、入射光波長λを固定すれば、散乱子の半径ｒと、媒体および散乱微粒子の相対屈折率ｍとをパラメータとして制御することができる。なお、導光体１は、前方散乱が大きいものである。

このような、単一真球粒子がＮ個含まれる光散乱導光体に光を入射させると、光は真球粒子により散乱される。散乱光は光散乱導光体中を進み、他の真球粒子により再度散乱される。ある程度以上の体積濃度で粒子を添加した場合には、このような散乱が逐次的に複数回行われた後、光が光散乱導光体から出射する。このような散乱光がさらに散乱されるような現象を多重散乱現象と呼ぶ。このような多重散乱においては、透明ポリマーでの光線追跡法による解析は容易ではない。しかし、モンテカルロ法により光の挙動を追跡し、その特性を解析することはできる。それによると、入射光が無偏光の場合、散乱角の累積分布関数Ｆ（Θ）は下記の（６）式で表される。

ここで（６）式中のＩ（Θ）は、（１）式で表されるサイズパラメータΑの真球粒子の散乱強度である。強度Ｉ_ｏの光が光散乱導光体に入射し、距離ｙを透過した後、光の強度が散乱によりＩに減衰したとすると、これらの関係は下記の（７）式で表される。

この（７）式中のτは濁度と呼ばれ、媒体の散乱係数に相当するものであり、下記の（８）式のように粒子数Ｎに比例する。なお、（８）式中、σ^ｓは散乱断面積である。

（７）式から長さＬの光散乱導光体を散乱せずに透過する確率Ｐ_ｔ（Ｌ）は下記の（９）式で表される。

反対に光路長Ｌまでに散乱される確率Ｐ_ｓ（Ｌ）は下記の（１０）式で表される。

これらの式からわかるように、濁度τを変えることにより、光散乱導光体内での多重散乱の度合いを制御することができる。

以上の関係式により、散乱微粒子のサイズパラメータΑと濁度τとの少なくとも１つをパラメータとして、光散乱導光体内での多重散乱を制御可能であり、出射面９における出射光強度と散乱角も適正に設定可能である。

ここで、導光体５に含有されている光散乱粒子は、平均粒径が２．４μｍの透光性のシリコーン粒子である。また、光散乱粒子による散乱係数に相当する散乱パラメータである濁度τは、τ＝０．４９（λ＝５５０ｎｍ）である。

（発光装置１における光路）
図４は、ＬＥＤ２から照射された光のうちＬ１〜Ｌ３の光についての光路を示すものである。図４では図２に示す導光体５に付したハッチングを省略し、またカバー１０およびソケット１２を省略している。光Ｌ１は、ＬＥＤ２から出射し光入射部１４の部分Ｐ１から導光体５へと入射し、そして側部出射面８の部分Ｐ２から出射する光である。このとき、光入射部１４の部分Ｐ１では光Ｌ１が光入射部１４の面に対してほぼ垂直に入射するため、殆ど屈折は起こらない。また、図４における側部出射面８の部分Ｐ２では入射した光Ｌ１が全反射臨界角未満で照射されるため、全反射は起こらず側部出射面８から出射する。

光Ｌ２は、ＬＥＤ２から図４においてほぼ垂直に出射した光が光入射部１４の部分Ｑ１から導光体５へと入射し、基板対向出射面６の部分Ｑ２にて全反射し、側部出射面８の部分Ｑ３にて図４における下方（基板３側）に屈折して射する光である。光Ｌ２は、光入射部１４の部分Ｑ１では、光入射部１４の面に対して約４５度の角度で入射し、部分Ｑ２では基板対向出射面６に対して臨界角以上で照射されるため全反射を起こす。また、光Ｌ２は、側部出射面８の部分Ｑ３には臨界角未満で入射するため側部出射面８を透過（出射）する。その際、光Ｌ２は、図４における下方に屈折する。すなわち、部分Ｑ３では、屈折面である側部出射面８にて屈折が全く起こらなかったと仮定した場合の光路よりも基板３側に光Ｌ２は屈折している。

光Ｌ３は、ＬＥＤ２から出射した光が光入射部１４の部分Ｒ１から導光体５へと入射し、基板対向出射面６の部分Ｒ２にて全反射し、その後側部出射面８の部分Ｒ３にて全反射し、第２の円環状部１６の面の部分Ｒ４にてさらに全反射して側部出射面８の部分Ｒ５から基板３面に沿って出射する光である。光入射部１４の部分Ｒ１では光Ｌ３が光入射部１４の面に対してほぼ垂直に入射している。また光Ｌ３は、図４における基板対向出射面６の部分Ｒ２、側部出射面８の部分Ｒ３および第２の円環状部１６の面の部分Ｒ４には、入射した光が臨界角以上で入射するため、全反射が起こる。その後、側部出射面８の部分Ｒ５では、光が側部出射面８に対して臨界角未満で入射するため、全反射は起こらず透過（出射）する。光Ｌ３は、部分Ｒ５にて基板３側に屈折して出射する。

上述した光Ｌ１のように、ＬＥＤ２から出射し、出射面４で全反射することなく導光体５から出射する光のほとんどは基板３側から離れる側に向けて導光体５から出射する。また、上述した光Ｌ２，Ｌ３のように基板対向出射面６および側部出射面８を適切に形成することで、基板３側に屈折させて導光体５から出射させることができる。つまり、基板対向出射面６および側部出射面８に入射する光の入射角に応じて、導光体５から出射する光の配光状態を変えることができる。導光体５から基板３側に向けて屈折して出射する光の量を基板３側から離れる方向に向けて出射する光の量についても、基板対向出射面６および側部出射面８の形状を適切に形成することで所望に設定できる。

（本発明の実施の形態によって得られる主な効果）
発光装置１は、図４に示す光Ｌ２のように図４における下方（基板３側）へと照射する光がある。また発光装置１は、光Ｌ３のように第２の円環状部１６の面で全反射するため基板３に入射することなく側部出射面８から出射する光がある。そのため、発光装置１は、ＬＥＤ２を基板３上に配置した構成であっても、基板３からソケット１２側への光の照射が可能となり、従来の白熱電球に近い配光状態を得ることができる。

ここで、導光体５の出射面４には、出射面を挟んで発光素子と反対側に曲率中心が位置する曲面を有する基板対向出射面６が形成されている。そのため、ＬＥＤ２から出射した光の基板対向出射面６の入射角を大きくすることができ、全反射させ易くなる。

また、ＬＥＤ２が設置される基板３は、プラグ１２に取り付けられ、導光体５は電球として機能させることができる。そのため、発光装置１により、従来の白熱電球に近い発光状態を得ることができる。

また、導光体５には光散乱導光体が含有されている。そのため、導光体５内で光を多重散乱させ、基板３からプラグ１２側を照らす光を増やすことができる。

（他の形態）
上述した本発明の実施の形態に係る発光装置１は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形実施が可能である。

発光装置１は、基板３上にＬＥＤ２が設けられる発光装置１において、ＬＥＤ２から発光された光が入射し、入射した光が出射される出射面４（基板対向出射面６、側部出射面８）を有する導光体５を備え、出射面４は、出射面４に臨界角で入射した光を、発光装置１の光軸Ｘと直交する方向よりも基板３面側に向けて全反射させることができる全反射面を有する基板対向出射面６を有する。また、出射面４は、基板対向出射面６で全反射された光を基板３面側に屈折させて出射させる屈折面を有する側部出射面８を有する。

ここで、ＬＥＤ２にはチップ型のものを用いているが、ディスクリート型のもの等を用いても良い。また、発光素子はＬＥＤ２に限らず、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子等を用いても良い。

また、導光体５の出射面４には、出射面を挟んで発光素子と反対側に曲率中心が位置する曲面を有する基板対向出射面６が形成されている。しかし、基板対向出射面６は曲面形状とされている必要はなく、図５に示すように断面三角形に凹んだ円環部１７が同心円状に配設された面形状としても良い。また、図６に示すように円錐形状に凹ませた凹面１８を設けても良い。

また、ＬＥＤ２が設置される基板３には、電源側のソケットに取り付けられるプラグ１２が備えられている。そのため、発光装置１を電球と同様の用途に用いることができる。しかし発光装置１は、プラグ１２を有しなくても良い。

また、導光体５には光散乱導光体が含有されている。しかし、光散乱導光体は必須の構成要素ではないため導光体５に含有させないこととしても良い。

また、導光体５には、ＰＭＭＡ製のものを用いているが、その他のアクリル酸エステルあるいはメタクリル酸エステルの重合体で、透明性の高い非晶質の合成樹脂であるアクリル樹脂、ポリスチレン、ポリカーボネート等の他の透光性樹脂やガラス等を材質としたものを用いることができる。

（参考例）
図７に示す発光装置２１の構成によっても基板３からソケット１２側への光の照射が可能となる。この図７は、発光装置２１の光の光路を、図４と同様に示す図である。なお、図７では、本発明の実施の形態に係る発光装置１と同一または類似の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略している。発光装置２１の導光体２２は、基板対向出射面２３と、第１の側部出射面２４と、第２の側部出射面２５と、光入射部２６とを有する。

基板対向出射面２３は、光軸Ｘを中心とする略円錐状の凹部を呈し、ＬＥＤ２から離れるに従って開口径が大きくなる形状を呈している。第１の側部出射面２４は、光軸Ｘを中心とする円筒面を呈している。第２の側部出射面２５は、光軸Ｘに沿って配列される複数の凸部２７に形成されている。凸部２７は、光軸Ｘの周囲に環状に配置されている。凸部２７は、光軸Ｘに沿う面における断面形状が三角形を呈し、光軸Ｘに対して傾斜する傾斜面２８を有している。この傾斜面２８は、光軸Ｘから基板３の端部７に向かって、基板３側に傾斜している。光入射部２６は、円筒状の側面２９と、ＬＥＤ２側に向かって凸状を呈する凸レンズ面３０とを有している。

次に、ＬＥＤ２から照射された光Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の光路について説明する。ＬＥＤ２から照射され凸レンズ面３０に入射する光Ｌ４は、光軸Ｘ側に屈折され、基板対向出射面２３にて全反射し第１の側部出射面２４から出射する。光Ｌ４は、第１の側部出射面２４から出射する際に、前方（基板３と反対側）側に屈折して出射される。ＬＥＤ２から照射され、凸レンズ面３０に入射する光は、基板対向出射面２３にて全反射し第１の側部出射面２４から出射する光と、基板対向出射面２３から出射する光とに分けられる。したがって、ＬＥＤ２から出射した光に対して、凸レンズ面３０および基板対向出射面２３の入射角を適宜に設定することで、発光装置２１の前方向（基板３の配置方向と反対方向）における照度分布を所望に設定することができる。

ＬＥＤ２から照射され側面２９に入射する光Ｌ５，Ｌ６は、側面２９において基板３側に屈折し、さらに、傾斜面２８から出射する際にも基板３側に屈折する。つまり、側面２９と傾斜面２８にて２回基板３側に屈折されるため、基板３側を効率的に照明することができる。ＬＥＤ２から出射した光に対して、側面２９および傾斜面２８の入射角を適宜に設定することで、発光装置２１の後方向（基板３側）における照度分布を所望に設定することができる。

このように、発光装置２１は、光Ｌ４のように基板３側から離れる方向だけでなく、光Ｌ５，Ｌ６のように基板３面側に出射する光を有するため、本発明の実施の形態に係る発光装置１と同様に従来の白熱電球に近い配光状態を得ることができる。

１発光装置
２ＬＥＤ（発光素子）
３基板
４出射面
５導光体
６基板対向出射面（出射面の一部）
８側部出射面（出射面の一部）
１２ソケット

Claims

基板上に発光素子が設けられる発光装置において、
前記発光素子から発光された前記光が入射し、入射した前記光が出射される出射面を有する導光体を備え、
前記導光体は、光散乱粒子を含有する光散乱導光体であり、
前記出射面は、前記出射面に臨界角で入射した前記光を、前記発光装置の光軸と直交する方向よりも前記基板面側に向けて全反射させることができる全反射面として、前記基板と対向する基板対向出射面と、前記基板の端部側に位置する側部出射面とを有し、前記基板対向出射面は、曲率中心が前記出射面を挟んで前記発光素子と反対側に位置する曲面であり、
前記出射面は、前記全反射面で全反射された前記光を前記基板面側に屈折させて出射させる屈折面を有し、
前記導光体の前記全反射面と反対側の面には、光軸の周りに環状に形成され、前記基板から前記全反射面側に断面三角形に凹み、前記出射面で前記基板側に向けて全反射した光の一部を前記屈折面側に向けて全反射する反射面を有する円環状部が形成されている、
ことを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置において、
前記出射面は、前記出射面を挟んで前記発光素子と反対側に曲率中心が位置する曲面を有する、
ことを特徴とする発光装置。
請求項１または２記載の発光装置において、
前記発光素子が有する基板には、電源側のソケットに取り付けられるプラグが備えられていることを特徴とする発光装置。