JP5673923B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関し、例えば天井等に配設され、屋内を照明するのに好適な照明装置に関するものである。

従来から、屋内を照明する光源として白熱球や蛍光灯が広く用いられている。しかるに、環境保護が注目され始めた近年では、従来の白熱球や蛍光灯に比べ、より消費電力が少ないＬＥＤ光源を用いた照明器具が開発され、既に市販されている。

例えば、特許文献１には、液晶表示パネルの背面側から面状に照明するバックライトであって、室内の一般照明に用いることもできる発光装置が開示されている。

特許第４３５７５０８号明細書

特許文献１の発光装置によれば、単一のＬＥＤ光源から出射された光を、光束制御部材を介して配光特性を制御することにより、明暗のバラツキを抑えた照明を行うことができるから、これを屋内用の照明装置に使用できることが開示されている。しかし、現在のＬＥＤ光源は、一つの発光素子だけでは白熱球や蛍光灯に比べると光量が低い場合が多く、室内用の照明装置として使用できる明るさを確保するためには発光素子を複数用いる必要がある。また屋内の照明器具の問題として、照明する部屋の中央部のみに照明器具を配置した場合、光源の直下では照度が高いが、部屋の周辺では照度が低くなるという問題がある。従って、特許文献１の発光装置を用いて、部屋全体で均一な照度を確保するためには、天井に複数の発光装置を設けなくてはならず、取り付けや配線の手間がかかり、また内装デザインの自由度を制限するという問題がある。

本発明は、低コストでありながら、例えば部屋の中央部のみに照明器具を配置した場合においても、照明器具から出射される光の配光特性を器具直下強度が周辺部に比較して弱い分布とすることで部屋の中央と周辺でほぼ均一な照度を確保できる照明装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の照明装置は、複数の面状発光光源と光学素子とを有する照明装置であって、
前記光学素子の出射面は、前記光学素子の軸線に対して回転対称の形状を有し、
前記光学素子の入射面は、各面状発光光源に対応し、且つ前記光学素子の軸線に対して直交する方向に長軸を備えた楕円球の表面の一部を組み合わせた形状を有し、
前記面状発光光源の光軸は、前記光学素子の入射面内であって、対応する前記楕円球の中心よりも前記光学素子の軸線から遠い側に位置することを特徴とする。

従来技術の問題を解消するためには、複数の光源を備えた単一の照明装置で例えば部屋の中央と周辺をほぼ均一に照明できることが好ましい。そのような照明装置の配光制御の方法の一つとして、各光源の光軸を、部屋の周辺にそれぞれ向けるように傾けて設置し、それにより部屋の周辺の照度を増大させることが考えられる。しかし、ＬＥＤ光源などの面状発光光源を複数用いる場合、同一基板上に形成した方が製造や配線が容易であるからコスト的には有利であり、更には全体的に薄形化を図れるのでデザイン上も好都合であり、同一基板上に各光源の光軸の向きがことなるように複数の光源を配置することは困難である。

本発明者は、かかる問題に着目し、例えばＬＥＤ光源のように複数の面状発光光源を同一基板上に形成した場合でも、光学素子を用いて配光特性を制御することで、照明装置の直下と、それに対して角度付けされた方向とで照度の均一化を図ることができることを見出した。より具体的には、前記光学素子の出射面は、前記光学素子の軸線に対して回転対称の形状を有し、前記光学素子の入射面は、各面状発光光源に対応し、且つ前記光学素子の軸線に対して直交する方向に長軸を備えた楕円球の表面の一部を組み合わせた形状を有し、前記面状発光光源の光軸は、前記光学素子の入射面内であって、対応する前記楕円球の中心よりも前記光学素子の軸線から遠い側に位置するので、前記光学素子により、複数の面状発光光源から出射された光の配光特性を制御して、照明装置の直下と、それに対して角度付けされた方向とで適切に光量を振り分けることにより、単一の照明装置でありながら室内の照度の均一化を図ることが可能となる。尚、「面状発光光源」とは、基板等の面から発光する光源をいい、例えばＬＥＤ光源があるが、それに限られない。又、複数個の面状発光光源が近接配置されているときは、それらを単一な光源とみなす（つまり光軸は一つとする）ことも出来る。なお、「軸線」とは、光学素子の出射面の中心を通り、出射面の中心における出射面の法線方向の直線を表す。又、「光軸」とは、個々の発光光源の発光中心を通り、発光面の法線方向の直線を表す。更に、「楕円球」とは、後述する数式２で表現される３次元形状を表わす。また「複数の面状発光光源が近接配置されている」とは、個々の光源の発光中心間の距離αと、光源の発光領域間の最近接距離βの関係が、β／α＜０．２５を満たしていることを示し、発光中心とは、発光面の幾何学的重心点を指す（図１０参照）。

請求項２に記載の光学素子は、請求項１に記載の発明において、前記面状発光光源の光軸は、前記光学素子の軸線を中心とする同心円上に配置され、前記光学素子の出射面は、前記同心円の外方が凸状となっていることを特徴とする。これにより、周辺の配光特性を良好なものとできる。

請求項３に記載の光学素子は、請求項２に記載の発明において、前記光学素子の出射面は、前記同心円の内方が凹状となる領域を有することを特徴とする。これにより、照明装置の軸線近傍における配光特性を調整できる。

請求項４に記載の光学素子は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記面状発光光源とはＬＥＤ光源であることを特徴とする。

請求項５に記載の照明装置は、請求項４に記載の発明において、前記面状発光光源は４つであり、前記光学素子を介して出射された光により被照明面が矩形状に照明されることを特徴とする。よって矩形状の床面を有する室内の照明に用いると好適である。

本発明によれば、デザインを考慮しつつ、低コストでありながら、部屋全体でほぼ均一な照度を確保できる照明装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る照明装置の正面図である。 図１の照明装置をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。 図１の照明装置をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。 光学素子の基板当接面を９０度分だけ切り取って示した図である。 本実施の形態の照明装置における配光特性を示すシミュレーション図である。 本実施の形態の照明装置１０により床面を照射した状態をシミュレーションした図である。 第２の実施の形態に係る照明装置の正面図である。 図７の照明装置をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。 本実施の形態の照明装置における配光特性を示すシミュレーション図である。 面状発光光源の配置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態に係る照明装置の正面図である。図２は、図１の照明装置をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図３は、図１の照明装置をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。図４は、光学素子の基板当接面を９０度分だけ切り取って発光部と共に示した概略図である。

照明装置１０は、ＬＥＤ光源としての発光部１１ａを４つ形成した円盤状の基板１１と、基板１１に取り付けられたカップ状の光学素子１２とを有する。発光部１１ａは、光学素子１２の軸線Ｘを中心とする同心円上に光軸Ｌが等間隔で配置されるよう、９０度間隔で配置されている。基板１１は、不図示のベース等に組み付けられて、屋内の天井等に取り付けられるようになっている。光学素子１２はガラス又はプラスチック製であり、金型により成形される。

光学素子１２の外表面１２ａ（出射面）は、光学素子１２の軸線Ｘに対して回転対称の形状を有している。より具体的には、外表面１２ａの周辺領域１２ｃは、断面が円弧状である凸形状を有している。一方、外表面１２ａの中央領域１２ｄは、僅かに凹形状となっているが、平面又は凸形状でも良い。かかる回転対称の形状であれば、特にデザインを損なう恐れも少ない。周辺領域１２ｃと中央領域１２ｄの境界線は、軸線Ｘを中心とする円に沿っており、好ましくは発光部１１ａの光軸Ｌより外方に位置している。

一方、光学素子１２の内表面１２ｂ（入射面）は、４つの領域に分かれている。より具体的には、光学素子の軸線Ｘに対して直交する同一面に９０度間隔で長軸を備え、かつ各楕円球の中心は同心円上に配置された４つの楕円球で、光学素子１２の裏面をくり抜いたごとき形状を有する。つまり、内表面１２ｂは、楕円球の表面の一部１２ｆを組み合わせた形状を有し、楕円球の表面の一部からなる領域は、光源に向かって凹面となっている。

更に、図４において、楕円球の長軸をＡとすると、光学素子１２の軸線Ｘと、発光部１１ａの光軸Ｌは、長軸Ａと直交するようになっており、また光学素子１２の軸線Ｘから楕円球の中心（長軸Ａの中央）Ｏまでの距離をＬ１（楕円球の中心が配置されている同心円の半径）、光学素子１２の軸線Ｘから発光部１１ａの光軸Ｌまでの距離をＬ２（発光部の光軸が配置されている同心円の半径）としたときに、０．４＜Ｌ１／Ｌ２＜０．８なる関係が成立するようになっている。ここで、Ｌ１／Ｌ２が下限を上回ることにより、楕円球が光源位置に対応して配置されるため、発光部から出射される光の配光を適切に制御できる。また、Ｌ１／Ｌ２が上限を下回ることにより、楕円球の位置が外側になりすぎないため、光学素子１２のサイズを小型にすることができる。

図５は、本実施の形態の照明装置における配光特性を示すシミュレーション図であり、０度方向を軸線Ｘの方向とし、半径の大きさで到達光量を表すものとする。図５における一点鎖線は、光学特性を通さない発光部１１ａの元々の出射特性である。つまり、発光部１１ａのみでは、その直下が最も明るく照明されるが、その周辺は、離れるに連れて極端に照度が低下することがわかる。

図５に示す点線は、本実施の形態の光学素子１２を組み付けた照明装置１０において、図２に示す断面方向の配光特性を示している。つまり、図２に示す断面方向では、０度方向よりも、±３０度〜±６０度前後の範囲が、より到達光量が高くなることがわかる。このような配光特性をバットウィングという。一般的に、天井に取り付けられた照明装置１０から、直下の床面までの距離は、周辺の床面までの距離より短いので、バットウィングの配光特性は、床面の照度を均一化させる上で好ましいと言える。

一方、図５に示す実線は、本実施の形態の光学素子１２を組み付けた照明装置１０において、図３に示す断面方向の配光特性を示している。つまり、図３に示す断面方向では、±６５度の位置で、最も到達光量が高くなるピークが現れることがわかる。このように、光学素子１２の内表面を非回転対称な面とすることで、特定の角度方向（ここでは照明装置の軸線Ｘに直交する面内で９０度毎、且つ軸線Ｘに対して±６５度の方向）において到達光量を増大できる。これにより、暗くなりがちな部屋の四隅に対して選択的に光を投射することができる。

図６は、本実施の形態の照明装置１０により床面を照射した状態をシミュレーションした図であり、点描の密度が少ないほど照度が高いことを示している。図６に示すように、本実施の形態の照明装置１０によれば、室内の床面を正方形状に照明できるので、単一の照明装置１０を用いながらも室内周辺の照度を確保することができる。

図７は、第２の実施の形態に係る照明装置の正面図である。図８は、図７の照明装置をVIII-VIII線で切断して矢印方向に見た図である。

照明装置２０は、ＬＥＤ光源としての発光部２１ａを３つ形成した円盤状の基板２１と、基板２１に取り付けられたカップ状の光学素子２２とを有する。発光部２１ａは、光学素子２２の軸線Ｘを中心とする同心円上に光軸Ｌが配置されるよう、１２０度間隔で配置されている。基板２１は、不図示のベース等に組み付けられて、屋内の天井等に取り付けられるようになっている。

光学素子２２の外表面２２ａは、上述の実施の形態と同様に、光学素子１２の軸線Ｘに対して回転対称の形状を有している。一方、光学素子２２の内表面２２ｂは、３つの領域に分かれている。より具体的には、光学素子の軸線Ｘに対して直交する同一面に１２０度間隔で長軸を備えた３つの楕円球で、光学素子２２の裏面をくり抜いたごとき形状を有する。つまり、内表面２２ｂは、楕円球の表面の一部２２ｆを組み合わせた形状を有する。

図９は、本実施の形態の照明装置における配光特性を示すシミュレーション図であり、０度方向を軸線Ｘの方向とし、半径の大きさで到達光量を表すものとする。図９に示す点線は、本実施の形態の光学素子２２を組み付けた照明装置２０において、図８に示す断面に直交する方向（図７でIX-IX断面）の配光特性を示している。つまり、かかる断面方向では、±５０度の位置が、最も到達光量が高くなることがわかる。一方、図９に示す実線は、本実施の形態の光学素子１２を組み付けた照明装置１０において、図８に示す断面方向の配光特性を示している。つまり、図８に示す断面方向では、左右非対称な配光特性になり、到達光量のピークは±７０度の位置にくるが、左側より右側の方がより狭い領域を遠方まで照明できるようになっている。このように、光学素子２２の内表面２２ｂの形状を変更することで、照明装置２０を設置する部屋の床面形状に応じた配光制御が可能となる。

（実施例）
本実施に形態に対応する実施例について説明する。まず、光学素子の出射面（外表面）の形状は、数１に示す非球面の形状で表される。非球面の形状は、出射面と光学素子の軸線との交差点を原点とし、軸線方向にｚ軸、軸線に直交する方向をｘ軸、ｙ軸とし、表１のデータを数１式に代入することで、（ｘ、ｙ）座標に対応する非球面のｚ座標を求めるものとする。尚、表中、光源４個は第１の実施の形態に相当し、光源３個は第２の実施の形態に相当する（以下同じ）。

又、光学素子の入射面（内表面）の形状は、数２に示す非球面の形状で表される。非球面の形状は表２の（Ｌ１、Ｚ１＿１、γ１）、（Ｌ１、Ｚ１＿２，γ２）、（Ｌ１、Ｚ１＿３，γ３）を原点とし、軸線方向にｚ軸、軸線に直交する方向をｘ軸、ｙ軸とし、表２のデータを数２式に代入することで、（ｘ、ｙ）座標に対応する非球面のｚ座標を求めるものとする。

尚、本発明は以上の実施の形態に限られない。例えば一つの楕円球の表面に相当する面毎に１つのＬＥＤ光源のみならず、複数のＬＥＤ光源を配置しても良い。かかる場合、楕円球の長軸と、複数のＬＥＤ光源の光軸が交差するように配置するのが望ましい。

１０ 照明装置
１１ 基板
１１ａ 発光部
１２ 光学素子
１２ａ 外表面
１２ｂ 内表面
１２ｃ 周辺領域
１２ｄ 中央領域
１２ｆ 内表面の一部
２０ 照明装置
２１ 基板
２１ａ 発光部
２２ 光学素子
２２ａ 外表面
２２ｂ 内表面
Ａ 楕円球の長軸
Ｌ 発光部の光軸
Ｏ 楕円球の中心
Ｘ 光学素子の軸線

Claims (5)

1. 複数の面状発光光源と光学素子とを有する照明装置であって、
   前記光学素子の出射面は、前記光学素子の軸線に対して回転対称の形状を有し、
   前記光学素子の入射面は、各面状発光光源に対応し、且つ前記光学素子の軸線に対して直交する方向に長軸を備えた楕円球の表面の一部を組み合わせた形状を有し、
   前記面状発光光源の光軸は、対応する前記楕円球の中心よりも前記光学素子の軸線から遠い側に位置することを特徴とする照明装置。
2. 前記面状発光光源の光軸は、前記光学素子の軸線を中心とする同心円上に配置され、前記光学素子の出射面は、前記同心円の外方が凸状となっていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学素子の出射面は、前記同心円の内方が凹状となる領域を有することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記面状発光光源とはＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記面状発光光源は４つであり、前記光学素子を介して出射された光により被照明面が矩形状に照明されることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。