JP5621938B2 - 照明器具 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば、建物の天井や壁に取り付ける照明器具に関する。

近年、光源として半導体発光素子を用いた照明器具が普及されつつある。この種の照明器具として、例えば、天井面に着脱可能に取り付けられる本体、基板に複数個のＬＥＤ（発光ダイオード）を実装した上記本体に取り付けられるＬＥＤモジュール、およびこのＬＥＤモジュールを覆うカバー体を備えたものが知られている。

ＬＥＤは指向性が強く、この種の照明器具は、真下のものを照明するのに適しているが、部屋全体の照明としては改善の余地がある。

特開２０１０−１９２３３８

つまり、天井に取り付けるタイプの照明器具で、部屋全体を照明するには、下方に向かう照明光に加え、横方向や上方向、すなわち天井を照らす光を生出することが望ましい。

よって、部屋全体を良好に照明できる半導体発光素子を用いた照明器具の開発が望まれている。

実施形態に係る照明器具は、建物の天井や壁などの被取付面に取り付けられる本体を有する。また、この照明器具は、被取付面と略平行な発光面を有し、この発光面には、半導体発光素子が配置されている。そして、透光性を有するカバー体が、発光面を覆うように本体に取り付けられる。カバー体の内面は、半導体発光素子から放出される光の光軸に対して鋭角をなす屈折面を含み、カバー体の外面は、本体の周縁部より外側に張り出した外周面を含む。

実施形態に係る半導体発光素子を用いた照明器具によると、被取付面を良好に照明できる。

図１は、第１の実施形態に係る照明器具を光の取り出し側から見た斜視図である。 図２は、図１の照明器具を被取付面側から見た斜視図である。 図３は、図１の照明器具の分解斜視図である。 図４は、図１の照明器具を線Ｆ４−Ｆ４で切断した断面図である。 図５は、図４の照明器具を矢印Ｆ５の方向から見た断面図である。 図６は、第２の実施形態に係る照明器具の断面斜視図である。 図７は、図６の照明器具を矢印Ｆ７の方向から見た断面図である。 図８は、図６の照明器具のカバー体の傾斜面による配光特性を説明するためのシミュレーション図である。 図９は、図６の照明器具のカバー体の傾斜面による配光特性を説明するためのシミュレーション図である。 図１０は、図６の照明器具のカバー体の傾斜面の傾斜角θと出射角ｒとの関係を説明するための説明図である。 図１１は、図６の照明器具のカバー体の表面で全反射を起こす傾斜面の傾斜角θと出射角ｒとの関係を示すグラフである。 図１２は、図６の照明器具のカバー体の傾斜面の傾斜角θと側面部に向かう全反射光束量との関係を示すグラフである。 図１３は、図６の照明器具のカバー体の第１の変形例を示す断面斜視図である。 図１４は、図１３のカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図１５は、図６の照明器具のカバー体の第２の変形例を示す断面斜視図である。 図１６は、図１５のカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図１７は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図１８は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図１９は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図２０は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図２１は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。 図２２は、図６の照明器具の他の変形例に係るカバー体を用いた場合における配光特性を示すシミュレーション図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係る照明器具１を光の取り出し側から見た斜視図であり、図２は、この照明器具１を天井や壁などの被取付面側（以下、裏面側と称する場合もある）から見た斜視図であり、図３は、この照明器具１を複数の構成要素に分解した分解斜視図である。また、図４は、図１の照明器具１を線Ｆ４−Ｆ４で切断した断面図であり、図５は、図４の照明器具１を矢印Ｆ５方向から見た断面図である。

本実施形態の照明器具１は、天井や壁などの被取付面に設置された図示しないソケットに対して脱着自在に取り付けられる口金２、絶縁部材３、２本の電極ピン４、中蓋５、放熱部材として機能する筐体６、この筐体６の取付面７に貼り付けられるＬＥＤモジュール８、およびこのＬＥＤモジュール８を覆うように筐体６に取り付けられる透光性を有するカバー体１０を有する。

口金２は、ＧＸ５３形であり、図示しないソケットの挿通孔に挿通される有底の円筒体２ａを有する。また、口金２は、略長円形の外形を有する有底の枠体２ｂを有する。円筒体２ａは、枠体２ｂの底部２ｃから裏面側に向けて一体に突設されている。円筒体２ａの外周面には、図示しないソケットの挿通孔にある図示しない突起に引っ掛けるＬ字形状の２つの溝２ｄが形成されている。また、枠体２ｂの底部２ｃには、絶縁部材３の２つの突出部３ｂをそれぞれ露出する２つの孔２ｅが形成されている。

絶縁部材３は、例えば樹脂により形成されており、略円形の枠体３ａ、および枠体３ａの外側に互いに相反する方向に向けて突出した２つの突出部３ｂを有する。各突出部３ｂには、２本の電極ピン４の先端をそれぞれ挿通する挿通孔３ｃが形成されている。この絶縁部材３は、上述した口金２の枠体２ｂの内側に配置され、２つの突出部３ｂがそれぞれ底部２ｃの２つの孔２ｅに嵌め込まれる。つまり、絶縁部材３の枠体３ａが口金２の円筒体２ａの内側に嵌め込まれ、絶縁部材３の２つの突出部３ｂが口金２の２つの孔２ｅから露出される。

２本の電極ピン４は、上述した絶縁部材３の２つの突出部３ｂに形成された挿通孔３ｃに挿通配置される。絶縁部材３の２つの突出部３ｂは、口金２の２つの孔２ｅにそれぞれ嵌め込まれているため、２つの電極ピン４は、口金２に対して電気的に絶縁状態となる。なお、２本の電極ピン４の先端４ａは、口金２の裏面側に突出する。

中蓋５は、絶縁部材３に対向する側の面（図３中の上面）に、２つのボス部５ａを一体に有する。これら２つのボス部５ａは、それぞれ、２本の電極ピン４の基端部を受け入れるための孔５ｂを有する。また、各ボス部５ａは、電極ピン４を電気的に接続する図示しないリード線を通すための切欠き５ｃを有する。中蓋５は、上述した口金２の略長円形の枠体２ｂの内側に嵌め込まれる。このとき、枠体２ｂの４角に設けられたネジ孔２ｆが中蓋５の４角に設けられた切欠き５ｄから露出する。

筐体６は、ＬＥＤモジュール８を取り付ける取付面７とは反対側に、口金２、絶縁部材３、および中蓋５を組み合わせた状態で収容する略長円形の凹部６ａを有する。また、筐体６は、この凹部６ａの外側に、複数の放熱フィン６ｂを有する。さらに、筐体６は、凹部６ａの底に、上述した図示しないリード線を通すための孔６ｃを有する。この筐体６は、略円柱状の外形を有する。筐体６は、図示しない４本のネジを口金２のネジ孔２ｆに螺合することで締結固定される。すなわち、これら口金２、絶縁部材３、電極ピン４、中蓋５、および筐体６が、照明器具１の本体として機能する。

ＬＥＤモジュール８は、筐体６の取付面７に熱的に密着して貼り付けられる基板８ａ、この基板８ａの表面に実装された図示しない複数個のＬＥＤチップ（半導体発光素子）、および、これら複数個のＬＥＤチップを基板表面に封止した封止部材８ｂを有する。各ＬＥＤチップは、基板表面に形成された配線パターンにフリップチップ接続される。また、基板表面の配線パターンは、上述したリード線を介して２本の電極ピン４に電気的に接続される。なお、基板表面は、発光面として機能する。

そして、カバー体１０は、基板表面と略平行に離間した略円板状の前面部１０ａ、およびこの前面部１０ａの周縁部から筐体６（本体）に向けて一体に突設された略円環状の側面部１０ｂを有する。このカバー体１０は、ポリカーボネートやアクリルなど透明な樹脂による射出成形により形成される。本実施形態では、側面部１０ｂの壁厚は、前面部１０ａの板厚より肉厚である。このカバー体１０は、側面部１０ｂの前面部１０ａから離間した端部にある係合爪１０ｇによって筐体６に係合されて取り付けられる。

なお、側面部１０ｂは、筐体６の周縁部６ｄより内側にある内周面１０ｃ、および筐体６の周縁部６ｄより外側に張り出した外周面１０ｄを有する。結果的に、側面部１０ｂは、筐体６の周縁部６ｄより外側で被取付面に対向する円環状の裏側光放出面１０ｅを有する。そして、この裏側光放出面１０ｅは、ＬＥＤモジュール８の基板表面（発光面）より被取付面に近い位置にある。

上記構造の照明器具１において、ＬＥＤモジュール８から放出された光の多くは、カバー体１０の前面部１０ａを介して放出される。一方、ＬＥＤモジュール８から放出された光の一部は、図５に矢印Ｌｂで示すように、カバー体１０の側面部１０ｂを介して放出される。特に、この矢印Ｌｂで示す光は、照明器具１が取り付けられた被取付面を照明する。なお、本実施形態の照明器具１は、ＬＥＤモジュール８から側面部１０ｂに至る光路上に障害物が無いため、側面部１０ｂを通る光が多くなる。

この矢印Ｌｂの光に着目すると、ＬＥＤモジュール８からカバー体１０の側面部１０ｂに向けて放出された光は、側面部１０ｂをそのまま透過し、或いは側面部１０ｂの内周面１０ｃで屈折されて、カバー体１０の表面（端面１０ｆ）で反射され、側面部１０ｂの外周面１０ｄを介して照明器具１の外部へ放出される。この際、側面部１０ｂの内周面１０ｃに対する光の入射角度には幅があるため、裏側光放出面１０ｅを介して光が放出されたり、外周面１０ｄを介して光が放出されたりする。また、カバー体１０に光を散乱させる物質を混入すれば、カバー体１０の側面部１０ｂ内で光が乱反射して、側面部１０ｂ全体を光らせることもできる。

特に、本実施形態によると、カバー体１０の側面部１０ｂの壁厚を厚くしたため、側面部１０ｂの裏側光放出面１０ｅとは反対側の端面１０ｆの面積を比較的大きくすることができ、照明器具１の裏側に向かう反射光を比較的多くすることができる。つまり、本実施形態に係る照明器具１を天井に取り付けた場合、部屋全体を明るく照明することができる。

なお、本実施形態のように、側面部１０ｂの内周面１０ｃを筐体６の周縁部６ｄより内側にすることで、照明器具１の外径を必要以上に大きくすることなく側面部１０ｂの壁厚を厚くすることができる。また、同様に、側面部１０ｂの外周面１０ｄを筐体６の周縁部６ｄより外側に張り出すことで、側面部１０ｂの壁厚を厚くすることができることに加え、照明器具１の裏面側に対面する裏側光放出面１０ｅを設けることができ、照明器具１の被取付面をより効果的に照明することができる。特に、本実施形態のように、裏側光放出面１０ｅをＬＥＤモジュール８の発光面より被取付面に近付けることで、被取付面の照明をより効果的に実施できる。なお、カバー体１０の側面部１０ｂの内周面１０ｃは、ＬＥＤモジュール８から放出された光を屈折させる屈折面として機能する。

また、本実施形態のカバー体１０は、金型を用いた射出成形により製造することができ、比較的安価に製造できる。このため、カバー体１０の屈折面として機能する内周面１０ｃは、ＬＥＤモジュール８から放出される光の光軸に対して鋭角をなす。

これに対し、従来のようにブロー成形による製造方法を採用すると、成形のタクトタイムが長くなり、その分、製造コストが高くなる。つまり、本実施形態のように射出成形でカバー体１０を製造することで、照明器具１０の製造コストを低減できる。

また、本実施形態のように、ＬＥＤチップを光源に用いたことにより、照明器具１の使用寿命を延長することができ、光源の交換作業の回数を減らすことができ、メンテナンスコストを低減することができる。半導体発光素子として、ＬＥＤチップの他にＥＬを用いても良い。また、カバー体１０をポリカーボネートやアクリルにより形成したため、照明器具１が落下した場合など、安全性を確保することができる。

なお、本実施形態の照明器具１において、カバー体１０の外側表面或いは内側表面に細かな凸凹面を形成して、光を散乱させることで、照明器具１の側面、または後方へ向かう光束を増やすことができ、照明器具１の価値を向上させることもできる。また、カバー体１０の素材自体に、光を乱反射させる屈折率の異なる材料を含有させることにより、照明器具１の側面、または後方へ向かう光束を増やすことができ、照明器具１の価値を向上させることもできる。

図６は、第２の実施形態に係る照明器具２１の断面斜視図であり、図７は、図６の照明器具２１を矢印Ｆ７の方向から見た断面図である。この照明器具２１は、カバー体２０の構造が異なる以外、上述した第１の実施形態の照明器具１と略同じ構造を有する。このため、ここでは、上述した第１の実施形態の照明器具１と同様に機能する構成要素には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態の照明器具２１のカバー体２０は、内周面２２がカバー体２０の外側から内側に向けて被取付面から離れる方向に傾斜した側面部２４を有する。言い換えると、カバー体２０の内面にある傾斜面２２は、カバー体２０の内側に向けて徐々に前面部２６に近付く方向に傾斜している。すなわち、傾斜面２２は前面部２６の内面に連続している。この傾斜面２２は、ＬＥＤモジュール８から放出される光を屈折させる屈折面として機能する。

この傾斜面２２は、ＬＥＤモジュール８から放射された光を所望する方向に屈折させて、カバー体２０の表面２８で全反射させるように機能する。言い換えると、この傾斜面２２の表面２８（或いは基板表面の発光面）に対する傾斜角θは、ＬＥＤモジュール８からの光を表面２８で全反射させることのできる閾値を有する。例えば、この傾斜角度を２０度に設定した場合における光の反射方向のシミュレーション結果を図８および図９に示す。

これによると、図８に示すように、カバー体２０の平らな前面部２６を通過する光は、概ねカバー体２０の表面２８を介して略真っ直ぐ放出されるのが分かる。また、図８に示すように、傾斜面２２を通る光のうち一部の光も、カバー体２０の表面２８を介して放出される。

これに対し、傾斜面２２を通過する光の多くは、傾斜面２２で屈折されたことで表面２８に対する入射角が変化し、表面２８で全反射されてカバー体２０の側面部２４から放出されているのが分かる。また、この際、側面部２４を介して放出される光の方向は、その光の反射経路によって種々異なる方向であり、照明器具２１の側方或いは後方に向かう方向である。

この傾斜面２２の特性について、図１０を参照してより具体的に説明する。
光源としてのＬＥＤモジュール８から放出される光の光軸Ｉに対する最大出射角をｒとした場合、傾斜面２２に対する光Ｉinの入射角はｒ−θとなる。この場合、最大出射角ｒは、ＬＥＤの光を十分に取り出すことのできる最大の角度と定義した。入射角ｒ−θで傾斜面２２に入射した光は、傾斜面２２で屈折して出射角９０−β−θの光Ｉoutとしてカバー体２０を通る。

ポリカーボネートにより形成されたカバー体２０の屈折率ｎは、１．５９であるため、カバー体２０の表面２８で光を全反射させることのできる角度γは、３９°となる。つまり、βが５１度以下になる出射光Ｉoutでポリカーボネートを通過した光が表面２８で全反射することになる。なお、表面２８で反射した光はその後、傾斜面２２と表面２８との間で反射を繰り返し、側面部２４の外周面１０ｄを介して放出されることになる。

ここでは、カバー体２０をポリカーボネートで形成した場合について説明したが、カバー体２０を他の材料で形成した場合も上述した考えは成り立つ。つまり、カバー体２０の屈折率をｎとした場合、傾斜面２２の発光面に対する傾斜角度θは、
r≧θ+arcsin(n^＊sin(-θ+arcsin(1/n)・180/π))
を満たす範囲に設定すれば良いことになる。

以下、上記数式について図１０を参照して説明する。
ＬＥＤモジュール８からの最大出射角をｒ、発光面に対する傾斜面２２の傾斜角度をθとすると、傾斜面２２に対する入射光Ｉinの入射角は、９０−θ−αとなり、傾斜面２２に対する出射光Ｉoutは、９０−（β＋θ）となる。

一方、カバー体２０の表面２８における全反射の条件として、表面２８に対しする入射角γは、sinγ＝１／nを満たす必要がある。この場合、ｎはカバー体２０の屈折率を指し、本実施形態では、ポリカーボネートの屈折率１．５９である。つまり、全反射を生じる入射角γは、３９度となる。よって、β＝５１度となる。つまり、βを５１度未満にすることで、本実施形態の条件を満たすことになる。

また、スネルの法則から、ＩinとＩoutの関係は、１^＊sin（９０−θ−α）＝１．５９^＊sin（９０−θ−５１）となる。従って、全反射が起こる条件は、
r≧θ+arcsin(１．５９^＊sin(９０−θ−５１))
となる。
例えば、図８および図９でシミュレーション結果を示した傾斜角度２０度の場合、出射角ｒ＝５１．１度以上で全反射が起こります。上式を屈折率nのカバー体を用いた場合の一般式に置き換えると、
r≧θ+arcsin(n^＊sin(-θ+arcsin(1/n)・180/π))
となります。

図１１には、上式のnにポリカーボネートの屈折率を入れた場合における出射角ｒと傾斜角θの関係をグラフにして示してある。これによると、例えば、カバー体２の傾斜面２２の傾斜角θを２０度に設計した場合、出射角５１度以上の光束を全反射できているのがわかる。

また、図１２には、ＬＥＤモジュール８から放出される光の配光をランバーシアンと仮定した場合における、傾斜角θと、ＬＥＤモジュール８から放出される光のうち側面部２４に向かう光束の割合と、の関係をグラフにして示してある。これによると、例えば、カバー体２０の傾斜面２２の傾斜角θを２０度に設定した場合、全光束の約２０％の光束が側面部２４に向かって反射されているのが分かる。

図１２のグラフは、カバー体２０の透過率を１００％として計算した結果であるため、実際には、この透過率を考慮する必要がある。また、あまり傾斜角θを大きくし過ぎると、その分、反射を繰り返すことになり、光束が減衰してしまうため、カバー体２０全体の厚さ、径、傾斜面２２の長さ、全体の配光、光束量、所望する側面部２４からの出射光量などを考慮して、カバー体２０の形状を設計する必要がある。

以上のように、本実施形態によると、カバー体２０の内面に傾斜面２２を設けたため、ＬＥＤモジュール８から放出された光の多くを側面部２４を介して照明器具２１の側方或いは裏側へ放出させることができ、被取付面を照明することもでき、部屋全体を明るく照明することができる。

以下、図１３乃至図２２を参照して、上述した第２の実施形態のカバー体２０のいくつかの変形例について説明する。なお、以下の各変形例の説明では、第２の実施形態のカバー体２０と同様に機能する構成要素には同一符号を付すこととする。

図１３は、第１の変形例である。この第１の変形例のカバー体２０は、前面部２６の内面になだらかにつながる湾曲した傾斜面３１を有する。カバー体２０の傾斜面は、ＬＥＤモジュール８から放出された光束を屈折させて表面２８で全反射させる機能を担うものであり、全反射した光束を側面部２４に向かわせるためには、必ずしも真っ直ぐな面である必要はない。言い換えると、カバー体は、その内側から外側に向けて徐々に厚さが大きくなる断面形状を有していれば良い。

図１４は、図１３のカバー体を用いた場合における配光特性を計算したシミュレーション結果の図である。これによると、カバー体の側面部を介して放出される光束が多く、照明器具を取り付けた被取付面も照明しているのが分かる。つまり、この第１の変形例のカバー体を用いた場合も、部屋全体を明るく照明できることが分かる。

図１５は、第２の変形例である。この第２の変形例のカバー体２０は、上述した第１の変形例と比較して、傾斜角θが大きい湾曲した傾斜面３２を有する。このカバー体も、内側から外側に向けて徐々に厚さが大きくなる断面形状を有している。

図１６は、図１５のカバー体を用いた場合における配光特性を計算したシミュレーション結果の図である。これによると、第１の変形例と比較して、側面部２４に向かう光束量が多くなっているが、反射も多くなっているのが分かる。

この他に、図１７乃至図２２に示すいくつかの変形例が考えられるが、いずれの変形例も、カバー体の前面部を透過する光に加え、側面部を透過する光が多く、被取付面も照明できていることが分かる。

特に、図２２に示す例では、カバー体の側面部２４の被取付面から離間した端面３４が、カバー体の内側から外側に向けて被取付面から離れる方向に傾斜している。これによると、カバー体の表面２８のエッジ部分で光束を外側へ反射させることができ、より広がりのある配光が可能となる。

１…照明器具、２…口金、３…絶縁部材、４…電極ピン、５…中蓋、６…筐体、６ｄ…周縁部、７…取付面、８…ＬＥＤモジュール、１０、２０…カバー体、１０ａ…前面部、１０ｂ…側面部、１０ｃ…内周面、１０ｄ…外周面、１０ｅ…裏側光放出面、１０ｆ…端面、２２…傾斜面、２８…表面、ｒ…出射角、θ…傾斜角。

Claims (5)

1. 建物の天井や壁などの被取付面に取り付けられる本体と、
   上記被取付面と略平行な発光面に配置された半導体発光素子と、
   上記発光面を覆うように上記本体に取り付けられた透光性を有するカバー体と、を有し、
   上記カバー体は、基板表面と略平行に離間した円盤状の前面部を含み、上記カバー体の内面は、上記前面部の内面に連続して立ち上がる屈折面であって上記半導体発光素子から放出される光に対して鋭角をなす屈折面を含み、上記カバー体の外面は、上記本体の上記周縁部より外側に張り出した外周面を含み、
   上記カバー体の屈折面から上記外周面までの厚さは、上記発光面と略平行な上記カバー体の前面部の厚さより厚く、
   上記カバー体の屈折面は、上記本体の上記周縁部より内側であって上記半導体発光素子よりも外側に位置し、
   上記カバー体の上記外面は、上記本体の上記周縁部より外側で上記被取付面に対向した裏側光放出面を含み、
   上記裏側光放出面は、上記被取付面に直交する方向において上記発光面より上記被取付面に近い位置にあることを特徴とする照明器具。
2. 上記屈折面の少なくとも一部は、上記カバー体の外側から内側に向けて上記被取付面から離れる方向に傾斜した傾斜面を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
3. 上記傾斜面の上記発光面に対する傾斜角度θは、上記半導体発光素子から放出される光に対する最大出射角度をｒとし、上記カバー体の屈折率をｎとした場合、
   r≧θ+arcsin(n＊sin(-θ+arcsin(1/n)・180/π))
   を満たす範囲に設定されることを特徴とする請求項２に記載の照明器具。
4. 上記カバー体の少なくとも一部は、その内側から上記外周面に向けて徐々に厚さが大きくなる断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の照明器具。
5. 上記前面部の周縁部近くの上記カバー体の上記被取付面の裏側の端面は、上記カバー体の内側から上記外周面に向けて上記被取付面から離れる方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の照明器具。

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