JP4995110B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板を備えた光源装置に関するものである。

光源装置としては従来から蛍光ランプ等を用いたものが多用されているが、このところ蛍光ランプ等の既存のランプを発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）に置き換える提案が種々の分野でなされている。ＬＥＤは蛍光ランプと異なり水銀を使用しておらず、しかも小型で低電力駆動が可能であり、近年ではその発光効率の向上が目覚しい。従来のＬＥＤデバイスの形状は砲弾型が主流であったが徐々に面実装タイプが増え、ＬＥＤデバイスが小型化することで、その利用が幅広く期待されている。ＬＥＤは、これまでインジケータなどの表示に用いられることが多かったが、その効率向上に伴い照明用途としても展開され、徐々に普及し始めている。

従来、例えば、蛍光ランプが使用されていたものに小型のＬＥＤを使用し、線状あるいは面状の光源を実現するためには、多数のＬＥＤを等間隔に配置する方法が一般的である。しかしながら、この方法では光源が粒状に発光しているのが視認され、滑らかな線状あるいは面状の光源にはならない。そこでＬＥＤ光源の前面に拡散効果をもつシートあるいは板を配置し、ＬＥＤの直進光を拡散することで滑らかな線状あるいは面状光源とすることが可能であるが、この場合は拡散シートあるいは板の透過率が６０％程度であることから、光の利用効率が極端におちてしまう。

また、ＬＥＤを並べることで線状あるいは面状の光源を実現させた場合、ＬＥＤの数量を削減することが困難である。密に並べればそれだけ光源が近接するため、線状あるいは面状とした際の発光の均一さが良好となるが、それだけ多くのＬＥＤを使用する必要が生じる。一方、ＬＥＤの数量を減らすためにはＬＥＤ同士の間隔を粗にして配列する必要が生じ、この場合は発光面での均一さが損なわれてしまう。

これに対して、導光技術を用いた線状光源が、例えばファクシミリ等の画像入力装置用の光源として提案されている。例えば、特許文献１のものは、ランプの光を凹面反射鏡で反射させ、その光を透明材料からなる円柱状のロッド端面から導入し、ロッド内で散乱させてロッド長手方向の表面において線状の光を得るものである。また、特許文献２のものは、円柱状の導光部の一端に複数の発光ダイオード素子を配置し、導光部の表面に軸方向に沿って直線状に拡散反射部を有し、前記導光部の周囲に円筒状の反射部材を備え、この反射部材の軸方向に沿った直線状の間隙から線状の光を得るものである。
特開平１−２３７５３４号公報 特開平９−９００６号公報

上述のように、ＬＥＤを用いて線状光源を形成する場合、ＬＥＤを複数個使用し列状に配置することで実現する方法があるが、この方法では複数の光源を使用しているため、明るさの均一性が低い線状光源となり、ＬＥＤを配置する間隔次第で、粒状に光る点光源の集合体として視認されてしまう問題がある。また同時に、ＬＥＤの発光色にバラツキがあると、隣接するＬＥＤの色度の差により、明るさだけでなく色味の均一性も低くなるという問題がある。

一方、上記従来の技術には、導光技術を使用することで均一性の高い線状光源を実現する方法がファクシミリ等の画像入力装置用の光源において提案されているが、円柱状の導光板技術のみの記載となっている。
例えば、家具、キッチン、壁面、棚などが持つ角あるいは隅に対して、人がぶつかるのを防止するサイン灯あるいは奥を照らす補助光源として、前記のような線状光源を利用することが挙げられる。しかしながら特許文献１および２ともに導光体としては、円柱状のロッドが記載されている。円柱状のロッドによって形成される線状光源を前述のような家具、キッチンなどの角に内蔵しようとした場合、光源が円弧をなすため、出っ張るあるいは隙間が生じてしまう課題が生じる。出っ張る場合は、人がぶつかるのを防止する効果に相反することとなる。一方、隙間が生じる場合は、隙間を埋めれば発光の効率が低下する課題が生じ、隙間を開けたままではゴミや埃などが埋まってしまうという課題が生じると共に、やはり発光効率が低下するという課題も生じてしまう。このため従来技術では、線状光源を生活空間に取り入れるための障害が多い。

従って本発明の目的は、発光の均一性が良好で、角または隅に配置するのに好適な導光板を用いた光源装置を提供することにある。

上記目的は、光源と、前記光源からの光を端面より導入し１つまたは２つの側面から出射させるための三角形状の断面を有する導光板とを備え、前記導光板は、前記側面の長さが前記端面の幅よりも長く、前記光を出射する側面とは異なる側面に前記端面から離れるに従って乱反射性を上げる乱反射機構を具備する光源装置により達成される。

ここで、前記導光板は、前記三角形状の断面における少なくとも１組の二辺間の角が直線または曲線により面取りされた形状を有することができる。また、前記導光板は、前記光を出射する２つの側面に対応する前記三角形状の断面における二辺、または前記光を出射する側面とは異なる２つの側面に対応する前記三角形状の断面における二辺を円弧状に代えた形状を有することができる。前記光源は、１つまたは複数の発光ダイオードを用いて構成することができる。前記光源は、１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ダイオードを用いて構成することができる。前記光源は複数の発光ダイオードを用いて構成され、前記複数の発光ダイオードが複数の異なる発光波長の発光ダイオードとすることができる。

本発明によれば、発光の均一性が良好で、角または隅に配置するのに好適な導光板を用いた光源装置を得ることができる。導光板を三角柱形状にすることで、家具、キッチン、壁面、棚などが持つ角や隅に光源装置を配置する事が可能となる。従来は配置出来なかった位置に発光物を置くことで、角であれば人がぶつかることを防止するサイン効果あるいは装飾性の向上を図ることが出来る。一方、隅に配置した場合であれば、従来照らしにくい棚奥などを照射する補助光源としての利用が可能となる。さらに導光板の三角形状の角を直線や曲線によって面取りする構成あるいは導光板の三角形状の二辺を円弧状に代えた形状とすることで、導光板の角のエッジによって生じることが予測される事故や怪我などを回避することができる。

光源として、１つまたは複数のＬＥＤを用いることで小型軽量かつ省エネルギーの光源装置とすることができる。１Ｗ以上の入力電力をもつ白色ＬＥＤを用いることで明るい照明を得ることができる。複数の異なる発光波長のＬＥＤを用いることで演出効果あるいは装飾性等を向上させることができる。またＬＥＤを点滅あるいは色調変化させることで、視認性を高めることが可能となる。

図１は、本発明に係る光源装置の一実施例を示す図である。図２は、図１の光源装置の分解図である。
本実施例は、図示のように、光源であるＬＥＤ１と、ＬＥＤ１を保持するための保持部材２と、ＬＥＤ１からの光を端面２５より導入し側面２６および２７から出射させるための三角形状の断面を有する導光板３とを備える。導光板３は、反射シート８を介して筐体４に配置される。筐体４は、導光板３と保持部材２を位置固定する。ＬＥＤ１は基板９に実装され、基板９を介して保持部材２に保持される。導光板３の光を出射する側面とは異なる側面２８には、端面２５から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構（図示しない）を具備する。この乱反射機構については後述する。また、ＬＥＤ１に接続された配線５の他端はＬＥＤを駆動する駆動回路６に接続され、駆動回路６は電源７に接続される。

光源装置の作動時には、電源７より駆動回路６に給電され、駆動回路６により配線５および基板９を介してＬＥＤ１に電圧が印加され、ＬＥＤ１は発光する。このとき、ＬＥＤ１の発光量を安定させるためには、駆動回路６は定電流制御あるいは定電圧制御で動作することが望ましい。ＬＥＤ１の発光により放射された光は導光板３の端面２５より導入され導光板３内を伝搬する。導光板３内を伝搬する光は、導光板の面２８の各部に配置された乱反射機構（図示しない）により乱反射され、導光板３の側面２６および２７から出射する。この原理については後述する。

本例の導光板３は、図示のように断面が三角形の三角柱であるが、これ以外の断面を有することもできる。これについては後述する。導光板３の側面２６、２７の長さＬは、端面２５の幅Ｗよりも長く構成される。また、端面２５のサイズは、ＬＥＤ１の発光部２７のサイズよりも大きく構成される。このように、導光板の幅を狭くし長さを長尺とし、端面のサイズを光源発光部のサイズよりも大きく構成することで、輝度の高い照明に適した光を得ることができる。

ここで、サイズとは、導光板の端面２５における厚みと幅の両方の寸法をいい、またＬＥＤ１（光源）の発光部４０における厚みと幅の両方の寸法をいう。図２に示すように、導光板の端面２５の幅をＷ、厚みをＴとし、図１６に示すようにＬＥＤ１の発光部３０の幅をｗ、厚みをｔとした場合に、端面２５のサイズがＬＥＤ１の発光部４０のサイズよりも大きく構成されるとは、Ｗ＞ｗ、かつＴ＞ｔであることをいう。

図１６（ａ）〜（ｃ）は、ＬＥＤ１の発光部４０のサイズについて説明するための図である。ＬＥＤ１は、ＬＥＤ素子９１とそれを封止する樹脂部を備える。ＬＥＤ素子９１からの光はこの樹脂部を通して発光するので、ここではこの樹脂部を発光部とする。図１６（ａ）はＬＥＤが１つの場合の発光部４０のサイズ（幅ｗ、厚みｔ）を示す。図１６（ｂ）はＬＥＤが横に２つ配置された場合の発光部４０のサイズを示す。この場合、左側の発光部の左端から右側の発光部の右端の間の幅を発光部４０の幅ｗとする。図１６（ｃ）はＬＥＤが縦横２つずつ合計４つ配置された場合をそれぞれ示す。この場合、上側の発光部の上端から下側の発光部の下端の間の厚みを発光部４０の厚みｔとする。ＬＥＤ１の数が増加した場合もこの要領で幅と厚みが決められる。

上述のとおり、導光板３の側面２８には、端面２５から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構を具備する。この乱反射機構について以下詳述するが、その前に導光板３内での光の伝搬の原理をまず説明する。

図３は、ＬＥＤから導入された光が導光板内を伝搬する様子を示す図である。図示のように、ＬＥＤ１で発光した光は、導光板３の端面より入光される。導光板３に入光された光は、導光板３と空気の間の屈折率差により、導光板と空気の界面にて全反射が生じる。全反射が生じるためには、導光板３と空気の間の屈折率差で生じる臨界角以上の角度にて、界面に光が当たる必要があるが、ＬＥＤ１から導光板３に入光する時点の屈折率差により、入光角度は一定角以内になっているため、前述の導光板３から空気との界面に光が当たるときには臨界角以上の角度が保持されている。また、この関係を維持するため、導光板の表面は凹凸のない平滑面であることが望ましい。

導光板３より、外部すなわち空気に対して光を射出するためには、前述の全反射を崩して光の反射の角度を意図的に変えてやる必要がある。このために導光板３の側面２８に乱反射機構が設けられる。乱反射機構は、例えば端面２５から離れるに従って粗から密に配置された光を乱反射する平面的パターンあるいは凹凸部で構成することができる。このように乱反射機構を構成することにより、導光板３の端面２５から離れるに従って乱反射性を上げることができる。

図４は、導光板に乱反射機構として平面的パターンを形成した場合の例を示す図である。本例では、平面的パターンは白色シルク印刷１０で構成されているが、これに限定されず、他の印刷または塗布でもよい。導光板３とシルク印刷１０の間には空気層が介在しないため、導光板３内の光がシルク印刷１０に当たった場合、導光板３と空気間の屈折率差は存在しない。またシルク印刷１０自体光透過性が少なく、反射率の高いものを使用するのが通例である。したがって、導光板３内からの光がシルク印刷１０に当たった場合は、シルク印刷が白色であることから、散乱反射が生じる。よってシルク印刷１０が施された面２８と対向する側面２６および２７の方向に反射された光は、側面２６または２７において臨界角以下で入射するため、全反射が生じず側面２６および２７より光が射出されることとなる。シルク印刷１０は、背面全面に印刷するものでなく、ドットや線などによって印刷する部分としない部分を存在させる必要がある。印刷がされた部分に当たった光は、前述のように散乱して側面２６および２７より射出され、印刷されていない部分に当たった光は全反射が維持され、光源より遠方方向に光が導光されることとなる。入光部（端面２５）近傍での印刷面積は少なめにし、徐々に遠方になるにつれ、印刷面積の割合を多めにすることで、すなわち、平面的パターンの面積を端面２５から離れるに従って粗から密に配置することで、導光距離に対して均一性の高い発光を得ることが可能となる。

図５は、導光板に乱反射機構として凹凸部を形成した場合の例を示す図である。本例では、凹凸部は、Ｖ溝１１で構成されているが、これに限定されず、例えばシボ加工等でもよい。図５におけるＶ溝１１は導光板３を削るあるいは凹ませることによって形成した溝である。導光板３内からの光が溝に当たることで、反射角度が変わり側面２６および２７より射出する。図４のシルク印刷と同様に、溝の密度や深さを入光部（端面２５）からの距離によって変化させ、すなわち、溝を端面２５から離れるに従って粗から密に配置することで、均一性の高い光を得ることができる。

図４および図５に示すように、シルク印刷や溝を導光板背面に設けることで、出光面からの発光を得ることができるが、一方で導光板側面部からの発光も生じてしまうと同時に、背面方向へ抜ける光が生じてしまう。そこで、図２に示す反射シート８によって出光面と入光面以外の面を反射性の高い部材により覆うことで、側面や背面に抜けてしまう光の漏れをなくすことが可能となる。ただし、反射シート８と導光板３の間には空気層を存在させる必要があるため、接着等での固定は望ましくない。そこで、筐体４などによる別部材によって導光板３および反射シート８の位置関係を保持するための機構を設けることが望ましい。同時に導光板３とＬＥＤ１の位置関係も保持する必要があるため、ＬＥＤ１を実装した基板９を筐体４に取り付けるための保持部材２によって固定することで、導光板３および反射シート８およびＬＥＤ１の位置関係を保持する構成が実現できる。

またＬＥＤ１の発熱を放熱することが重要である。この点については、保持部材２および筐体４にはアルミニウム等の熱伝導性の良い金属部材を用いることで、筐体４の全体に放熱機構を担わせることが可能となる。
ＬＥＤ１に白色ＬＥＤデバイスを使用すれば、図１の実施例は白色の光源装置として成立する。近年製品化または発表されている大電力供給が可能な１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ＬＥＤを使用すれば、より明るい光源装置を実現することができる。
一方、赤・青・緑のＬＥＤ素子を一つのパッケージにしたＬＥＤデバイスをＬＥＤ１として使用すれば、前記赤・青・緑の各々のＬＥＤに流す電流を制御することで、可変色を実現する光源装置を提供することが可能となる。

図６は、図１記載の本発明の利用例を示す図である。前述の光源装置をタンス３０に組み込んだ状態となる。光源装置を内蔵する形でタンス３０に取り付けており、発光面となる側面２６および２７が、タンス３０の表面に露出している。発光面２６および２７が光ることにより、暗い部屋の中などでタンス３０の角を視認することができ、ぶつかる事故を抑止することが可能となる。

図７は、本発明に係る光源装置の他の実施例を示す図である。図８は、図７の光源装置の分解図である。
本実施例は、図示のように、光源であるＬＥＤ１と、ＬＥＤ１を保持するための保持部材２と、ＬＥＤ１からの光を端面２５より導入し側面３１から出射させるための導光板３とを備える。導光板３は、反射シート８を介して筐体４に配置される。筐体４は、導光板３と保持部材２を位置固定する。ＬＥＤ１は基板９に実装され、基板９を介して保持部材２に保持される。導光板３の光を出射する側面とは異なる側面３２および３３の少なくとも一方には、端面２５から離れるに従って粗から密に配置された乱反射機構（図示しない）を具備する。この乱反射機構については前述の通りである。また、ＬＥＤ１に接続された配線５の他端はＬＥＤを駆動する駆動回路６に接続され、駆動回路６は電源７に接続される。動作方法については、前述の図１の方法と同一となる。

図９は、図７記載の本発明の利用例を示す図である。前述の光源装置を収納庫３４の奥隅に配置した状態となる。発光面となる側面３１からの光により、棚３５および３６に置いてあるモノが照らされ、暗い棚奥が明るくなり利便性を向上させることができる。

図１０および図１１は、上述した導光板において三角形状の断面における二辺間の角を直線によって面取りした形状を示す。図１２および図１３は、上述した導光板において三角形状の断面における二辺間の角を円弧等の曲線によって面取りした形状を示す。ここで、図１０および図１２の導光板は図１，２のものに対応し、図１１および図１３の導光板は図７，８のものに対応する。このような面取りを行うことにより、角が取れ丸くなるため、人を傷つける事故を抑止することが可能となる。本例では全ての角を面取りしているが、光源装置の設置状況に応じて少なくとも１組の二辺間の角が直線または曲線により面取りされた形状を有するようにすることができる。

図１４は、図１，２の導光板において光を出射する２つの側面（図２の符号２６，２７）に対応する三角形状の断面における二辺を円弧状に代えた形状を有する。また図１５は、図７，８の導光板において光を出射する側面とは異なる２つの側面（図８の符号３２，３３）に対応する三角形状の断面における二辺を円弧状に代えた形状を有する。ここで円弧状とは、円弧および円弧に類した丸みを帯びた形状を含むものである。図１４の導光板は図１，２のものに対応し、図１５の導光板は図７，８のものに対応する。本例では、円弧を用いて例えば半円状の断面形状とすることで、上述した図１０〜図１３と同様の効果を得ることが可能となる。

図１７には本発明の光源装置に用いる導光板３の形状の他の例を示す。本例では、端面２５の形状と、端面２５と対向する端面４１の形状とが異なる。このような形状をもてば、長手方向に配光特性を異なった形態の光源装置を提供することが可能となる。

以上のように、従来の線状光源で生じる、線状に配列された多数の光源が粒状に見えてしまうという問題や、色の不均一性については、導光技術を用いることで解決することができる。
また、導光板を三角柱に構成することで、配置性を高め、角や隅などのスペースが狭いエリアに光源を配置することが可能となる。

本発明は、光源からの光を端面より導入し側面から出射させるための導光板を備えた光源装置に関するものであり、産業上の利用可能性がある。

本発明に係る光源装置の一実施例を示す図である。 図１の光源装置の分解図である。 ＬＥＤから導入された光が導光板内を伝搬する様子を示す図である。 導光板に乱反射機構として平面的パターンを形成した場合の例を示す図である。 導光板に乱反射機構として凹凸部を形成した場合の例を示す図である。 本発明に係る図１記載の光源装置の利用例を示す図である。 本発明に係る光源装置の他の実施例を示す図である。 図７の光源装置の分解図である。 本発明に係る図７記載の光源装置の利用例を示す図である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の断面図の一例である。 （ａ）〜（ｃ）は、ＬＥＤ１の発光部２７のサイズについて説明するための図である。 本発明に係る光源装置に用いる導光板の他の例を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…保持部材、３…導光板、４…筐体、５…配線、６…駆動回路、７…電源、８…反射シート、９…基板、１０…シルク印刷、１１…Ｖ溝、２５…導光板の端面、２６、２７、２８…導光板の側面

Claims (6)

1. 光源と、前記光源からの光を端面より導入し１つまたは２つの側面から出射させるための三角形状の断面を有する導光板とを備え、前記導光板は、前記側面の長さが前記端面の幅よりも長く、前記光を出射する側面とは異なる側面に前記端面から離れるに従って乱反射性を上げる乱反射機構を具備し、前記光を出射する側面とは異なる側面に反射シートを介して筐体に配置されるものであり、かつ前記筐体が前記反射シートと前記導光板の間に空気層を存在させるために前記導光板および前記反射シートの位置関係を保持することを特徴とする光源装置。
   
2. 前記導光板は、前記三角形状の断面における少なくとも１組の二辺間の角が直線または曲線により面取りされた形状を有することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記導光板は、前記光を出射する２つの側面に対応する前記三角形状の断面における二辺、または前記光を出射する側面とは異なる２つの側面に対応する前記三角形状の断面における二辺を円弧状に代えた形状を有することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
4. 前記光源が、１つまたは複数の発光ダイオードを用いて構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記光源が、１Ｗ以上の入力電力をもつ白色発光ダイオードを用いて構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記光源が複数の発光ダイオードを用いて構成され、前記複数の発光ダイオードが複数の異なる発光波長の発光ダイオード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光源装置。

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