JP5733750B2 - 光束制御部材、発光装置、及び面光源装置 - Google Patents

Description

この発明は、発光素子（例えば、ＬＥＤ）からの光を出射制御する光束制御部材、この
光束制御部材を使用した発光装置、及びこの発光装置を使用して液晶表示パネル等の被照
明部材を面状に照明する面光源装置に関するものである。

近年、省エネルギーや環境保全の観点から、ＬＥＤを光源とする発光装置によって広告
パネル等の被照明部材を照明するようになっている。

例えば、図８に示す発光装置１００は、ＬＥＤ１０１からの光が光方向変換用光学素子１０２を介して照明光として出射されるようになっている。この発光装置１００の光方向変換用光学素子１０２は、ＬＥＤ１０１からの光を光入射面１０３から内部に入射させ、その光入射面１０３から入射した光の一部を光反射面１０４によって反射して光出射面（円筒状の側面）１０５から出射させ、光入射面１０３から入射した光のうちの光出射面１０５から出射した光を除く光の一部を光反射面１０４から出射するようになっている。そして、このような発光装置１００は、広告パネル等の被照明部材（図示せず）の背面側に複数配置され、被照明部材を背面側から面状に照明するようになっている（特許文献１）。

再公表特許第ＷＯ２００８／００７４９２号公報（特に、段落番号００２８、図１、図８参照）

しかしながら、図８に示した従来の発光装置１００は、光反射面１０４からも光が出射
するようになっているため、ＬＥＤ１０１及び光方向変換用光学素子１０２の直上方向に
も多くの光が出射される。その結果、ＬＥＤ１０１からの光が光方向変換用光学素子１０
２の直上方向へ出射するのを抑え、ＬＥＤ１０１からの光を光方向変換用光学素子１０２
の側方（ＬＥＤ１０１からの立体的な出射光束の中心の光の進行方向を光軸Ｌとすると、
その光軸Ｌに直交する方向）へ広く出射させる必要がある場合には、従来の発光装置１０
０を使用することができなかった。

そこで、本発明は、発光素子からの光が発光素子の直上方向へ出射するのを抑えること
ができ、且つ、発光素子からの光を側方へ広く出射することができる光束制御部材、この
光束制御部材を使用した発光装置、及びこの発光装置を使用した面光源装置を提供するこ
とを目的とする。

請求項１の発明は、図１，図５及び図６に示すように、発光素子３からの光を入射させる光入射面部７と、この光入射面部７から入射した光を反射する光反射面部１１と、この光反射面部１１で反射された光を出射する光出射面部１２と、を有する光束制御部材４に関するものである。この請求項１の発明において、
前記光入射面部７は、
・前記光束制御部材４のうちの前記発光素子３に対向する裏面５側に形成されており、前記発光素子３からの立体的な出射光束の中心の光が進行する方向を光軸Ｌとすると、この光軸Ｌを中心とするように配置され且つ前記発光素子３に対向するように配置され、
・前記出射光束のうちの前記光軸Ｌの近傍に位置する中心側の光束部分である第１光束部分を入射させる第１光入射面部分１３と、
・前記第１光入射面部分１３を取り囲むように配置され、前記出射光束のうちの前記第１光束部分を取り囲むように位置する第２光束部分の光の進行方向が前記光軸Ｌにほぼ沿った方向となるように光路変換して前記光束制御部材４内へ入射させる第２光入射面部分１４と、を有している。また、
前記光反射面部１１は、
・前記光束制御部材４のうちの前記裏面５に対向する頂面８から前記裏面５側へ向かって凹むテーパー形状の凹所１０を形作るテーパー面であって、このテーパー面が前記光軸Ｌを中心とする回転対称面であり、
・前記第１光入射面部分１３及び前記第２光入射面部分１４から入射した光を前記光出射面部１２に向けて全反射するようになっている。また、
前記光出射面部１２は、
・前記頂面８と前記裏面５とを接続する筒状面であって、前記光軸Ｌを中心とする筒状面であり、
・前記光軸Ｌに直交する方向を側方とすると、前記光反射面部１１で全反射された光を前記側方側へ向けて出射するようになっている。そして、
前記第２光入射面部分１４は、光軸Ｌを中心として同心円状に突出形成された複数の突
起１５ａ，１５ｂからなるフレネルレンズであり、
前記頂面は、前記光反射面部の周囲にリング状に形成されており、このリング状の頂面から漏れる光を拡散させることによってリング状の光の帯が発生しないように粗面化された、ことを特徴としている。

請求項２の発明は、図１，図５及び図６に示すように、基板２上に設置された発光素子３と、前記請求項１に記載の光束制御部材４とを有し、 前記光束制御部材４の中心軸Ｌ１が前記光軸Ｌと同心に配置されてなる、ことを特徴とする発光装置１に関するものでる。

請求項３の発明は、図７に示すように、前記請求項２に記載の発光装置１と、この発光装置１から出射した光を反射する反射部材２５と、この反射部材２５で反射された光で面状に照明される被照明部材２６と、を備えたことを特徴とする面光源装置。

本発明の光束制御部材によれば、発光素子からの光が発光素子の直上方向へ出射するの
を抑えることができ、且つ、発光素子からの光を側方へ広く出射することができる。

本発明の実施の形態に係る発光装置を示すものである。図１（ａ）が発光装置１の側面図であり、図１（ｂ）が発光装置１の平面図であり、図１（ｃ）が発光装置１の裏面図であり、図１（ｄ）が図１（ｂ）のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示す発光装置１の断面図である。 本発明の発光装置を構成する光束制御部材（第１例）の第２光入射面部分の拡大図であり、図２（ａ）が第２光入射面部分の第１の例、図２（ｂ）が第２光入射面部分の第２の例、図２（ｃ）が第２光入射面部分の第３の例を示す図である。 図１に示した発光装置の配光特性を示す図である。 図４（ａ）が図１（ｄ）に対応する図であり、図４（ｂ）が図４（ａ）の一部（第２光入射面部分の一部）を拡大して示す図であり、図４（ｃ）が図４（ａ）のＢ方向から見た照明光を模式的に示す図である。 図５（ａ）が本発明の発光装置を構成する光束制御部材の第２例を示す平面図であり、図５（ｂ）が図５（ａ）で示した光束制御部材の一部拡大図である。 本発明の発光装置を構成する光束制御部材の第３例を示す断面図であり、図１（ｄ）に対応する図である。 本発明の発光装置を使用した面光源装置を示す図である。図７（ａ）が面光源装置の平面図、図７（ｂ）が図７（ａ）のＡ２−Ａ２線に沿って切断して示す断面図、図７（ｃ）が図７（ａ）のＡ３−Ａ３線に沿って切断して示す断面図である。 従来の発光装置を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳述する。

（発光装置）
図１は、本実施形態に係る発光装置１を示すものである。なお、図１（ａ）が発光装置
１の側面図であり、図１（ｂ）が発光装置１の平面図であり、図１（ｃ）が発光装置１の
裏面図であり、図１（ｄ）が図１（ｂ）のＡ１−Ａ１線に沿って切断して示す発光装置１
の断面図である。

この図１に示すように、発光装置１は、基板２上に設置された発光素子３（例えば、Ｌ
ＥＤ及び封止部材によって封止されたＬＥＤ）からの光を光束制御部材４を介して出射す
るようになっており、発光素子３と光束制御部材４とが一対一で対応している。そして、
この発光装置１は、発光素子３が実装された基板２上に光束制御部材４の裏面５側に立設
された脚部６が接着剤で固定され、光束制御部材４の中心軸Ｌ１が発光素子３の光軸Ｌと
同心上に位置するようになっている。ここで、発光素子３の光軸Ｌとは、発光素子３から
の立体的な出射光束の中心における光の進行方向をいう。

（光束制御部材の第１例）
光束制御部材４は、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＣ（ポリカーボ
ネート）、ＥＰ（エポキシ樹脂）等の透明樹脂材料や透明なガラスで形成されている。

この光束制御部材４は、平面形状が円形形状となるように形成されており、その中心軸
Ｌ１が平面形状の図心に合致している。そして、この光束制御部材４は、発光素子３に対
向する裏面５（図１（ａ），（ｄ）の下面）に形成された光入射面部７と、裏面５の反対
側に位置する頂面８（図１（ａ），（ｄ）の上面）と、この頂面８から円錐状に凹む凹所
１０を形作る円錐状の光反射面部１１と、裏面５の外周端と頂面８の外周端に接続される
ように略円筒状に形作られた光出射面部１２と、を有している。また、この光束制御部材
４は、光入射面部７よりも径方向外方側の裏面５に、４本の脚部６が周方向に沿って等間
隔に立設されている。

光入射面部７は、光束制御部材４の中心軸Ｌ１を中心とする円形状の平坦面である第１
光入射面部分１３と、この第１光入射面部分１３を取り囲むように形成された第２光入射
面部分１４と、からなっている。第１光入射面部分１３は、発光素子３からの出射光束の
うちの光軸Ｌ近傍に位置する中心側の光束部分であって、光の進行方向が光軸Ｌにほぼ沿
った方向である第１光束部分を入射させるようになっている。また、第２光入射面部分１
４は、発光素子３からの出射光束のうちの第１光束部分以外の光束部分であって、第１光
束部分を取り囲むように位置する第２光束部分を入射させるようになっている。この第２
光入射面部分１４は、リング状の突起１５ａ，１５ｂが同心円状に複数形成されてなるフ
レネルレンズであって、突起１５ａ，１５ｂの各々は内側（中心軸Ｌ１寄り）に位置する
面１５ａ１，１５ｂ１と外側に位置する面１５ａ２，１５ｂ２との組み合わせで構成され
、第２光束部分の光の進行方向が光軸Ｌとほぼ平行な方向に揃うように、第２光束部分の
光を面１５ａ１，１５ｂ１から入射し、面１５ａ２，１５ｂ２で全反射するようになって
いる。ここで、第２光束部分の光の進行方向が光軸Ｌと「ほぼ」平行な方向に揃うとした
のは、第２光入射面部分１４としてのフレネルレンズの製造誤差や、発光素子３と光束制
御部材４の組付誤差や、発光素子３の発光点が１点ではなく、ある面積をもって発光して
いることにより、第２光束部分の光の進行方向が光軸Ｌと平行な方向から（設計値から）
ずれることを考慮したものである。

光反射面部１１は、図１（ｄ）に示すように、中心軸Ｌ１に対する傾斜角が４５°で且
つ頂角が９０°の円錐面（中心軸Ｌ１を中心とする回転対称のテーパ面）であり、その円
錐面の頂点１６が中心軸Ｌ１上に位置するように形成されている。また、この光反射面部
１１は、その頂面８側端部の直径Ｄ２が光入射面部７の外周端側の直径Ｄ１以上の大きさ
（Ｄ１≦Ｄ２）になっている。このような光反射面部１１は、光入射面部７から入射した
光を光出射面部１２に向けて全反射するようになっている。なお、光反射面部１１の頂面
８側端部の直径Ｄ２は、頂面８の外周端における直径Ｄ４よりも小さくなっている。

光出射面部１２は、射出成形金型（図示せず）からの光束制御部材４の離型を容易にす
るため、頂面８側端部の直径Ｄ４が裏面５側端部の直径Ｄ３よりも小さくなるように抜け
勾配がつけられている。

図２（ａ）は、図１（ｄ）に示した光束制御部材４における第２光入射面部分１４を拡
大して示す図である。この図２（ａ）に示すように、第２光入射面部分１４は、最外周の
リング状の突起１５ｂを除き、他のリング状の突起１５ａが同一高さとなるように形成さ
れている。なお、第２光入射面部分１４は、図２（ａ）に示す形状に限定されるものでは
なく、図２（ｂ）〜（ｃ）に示すような形状にしてもよい。すなわち、図２（ｂ）に示す
第２光入射面部分１４は、最外周のリング状の突起１５ｂに隣り合うリング状の突起１５
ａから最内周のリング状の突起１５ａまでが裏面５に対してθ１の角度で発光素子３に近
づくように斜めに形成されている（図１参照）。また、図２（ｃ）に示す第２光入射面部
分１４は、最外周のリング状の突起１５ｂに隣り合うリング状の突起１５ａから最内周の
リング状の突起１５ａに向かうにしたがって突起高さが漸増するように形成されている。
ここで、図２（ａ）〜（ｃ）に示す各第２光入射面部分１４は、最外周のリング状の突起
１５ｂに隣り合うリング状の突起１５ａの形成位置が裏面５からλの位置にある。このよ
うに第２光入射面部分１４の形状を工夫することにより、面１５ａ１，１５ｂ１から入射
して面１５ａ２，１５ｂ２を経由せずに直接、光出射面部１２へ到達する光を減少させる
ことができる。

（発光装置の配光特性）
図３（ａ）は、図１に示した発光装置１の配光特性を示す図である。この図３（ａ）に
示す発光装置１の配光特性は、図３（ｂ）に示すように、発光素子３の発光中心１７から
光軸Ｌに沿って所定寸法離れた位置（基準位置０°）に照度計１８を配置し、その照度計
１８を発光素子３の発光中心１７を回転中心として、右回り方向（＋θ方向）に３６０°
回転させて照度を測定したものである。

この図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る発光装置１によれば、発光素子３の直
上方向（光軸Ｌに沿った方向）における照度に比較し、発光素子３の側方（光軸Ｌにほぼ
直交する方向）における照度が３倍程度大きくなっており、発光素子３からの光が光束制
御部材４の直上方向へ出射するのを抑えられ、且つ、発光素子３からの光が光束制御部材
４の側方へ広く出射されるようになっている。

以上のように、本実施形態の発光装置１は、光束制御部材４の光入射面部７が発光素子
３からの光を光軸Ｌにほぼ沿った方向に揃うように光路変換させ、その光入射面部７から
入射した光の殆どを光反射面部１１で全反射させて、光反射面部１１で反射された光を光
出射面部１２から光束制御部材４の側方に広く出射させることができる（図１参照）。そ
の結果、本実施形態の発光装置１は、発光素子３及び光束制御部材４の直上方向への光の
出射を抑えることができる（図３参照）。

（光束制御部材の第２例）
上述したように、光束制御部材４の第１例は、発光素子３からの光が発光素子３の直上
方向へ出射するのを抑えることができ、発光素子３からの光の多くを光出射面部１２から
側方へ出射させることができるようになっているが、リング状の平坦面である頂面８から
漏れた光が光束制御部材４の上方から（矢印Ｂの方向から）見た場合に、リング状の光の
帯２０として視認される（図４参照）。但し、寸法は不問とする。これは、図４（ｂ）に
示すように、第２光入射面部分１４（フレネルレンズ）を構成する断面略三角形状の突起
１５ａ，１５ｂの先端に形成される曲面２１から入射した光が頂面８から出射すること等
に起因するものである。したがって、このリング状の光の帯２０が生じないようにするに
は、第２光入射面部分１４（フレネルレンズ）を構成する突起１５ａ，１５ｂの先端を尖
らせる（曲面２１を形成しないようにする）か、又は、リング状の平坦面である頂面８を
無くすことが有効な手段となるが、突起１５ａ，１５ｂの先端に曲面２１を形成せず、リ
ング状の平坦面である頂面８を無くすことは製造上（射出成形上）及び光束制御部材４の
取扱い上困難である。

そこで、図５に示す光束制御部材の第２例は、リング状の頂面８の全体を粗面化し（微
小な凹凸で粗し）、リング状の頂面８から漏れる光を拡散させることにより、リング状の
光の帯２０の発生を防止することができ、光束制御部材４の第１例よりも均一な照明光の
出射が可能になった。

（光束制御部材の第３例）
図６に示す光束制御部材４の第３例は、頂面８側の直径Ｄ４’を光束制御部材４の第１
例における頂面８側の直径Ｄ４よりも大きくし（Ｄ４’≒２Ｄ４）、頂面８の全体を粗面
化したものである（図１（ｄ）参照）。

この光束制御部材４の第３例は、光束制御部材４の第１例及び第２例よりも均一な照明
光の出射が可能になる（図１，図５参照）。

（面光源装置）
図７は、上述の発光装置１を使用した面光源装置２２を示す図である。なお、図７（ａ
）が面光源装置２２の平面図、図７（ｂ）が図７（ａ）のＡ２−Ａ２線に沿って切断して
示す面光源装置２２の断面図、図７（ｃ）が図７（ａ）のＡ３−Ａ３線に沿って切断して
示す面光源装置２２の断面図である。

図７に示すように、面光源装置２２は、平面形状が矩形形状で且つ上方に向けて開口す
る筐体２３と、この筐体２３の内部底面２４上に配置された反射部材２５と、筐体２３の
中央部で且つ筐体３の長手方向（図７（ａ）のＸ方向）に沿って反射部材２５上に一列に
配置された複数の発光装置１と、筐体２３の開口部を塞ぐように配置される被照明部材２
６（例えば、液晶パネル，広告パネル）と、を有している。

この面光源装置２２において、反射部材２５は、光反射性能に優れた板状部材で形成さ
れており、図７（ｃ）に示すように、筐体２３の内部底面２４と平行で且つ筐体２３の中
央部を一定の幅でＸ方向に沿って延びる平坦面２５ａと、この平坦面２５ａのＹ方向両端
から筐体２３の開口端に向かって斜めに立ち上がる一対の傾斜面２５ｂ，２５ｂとからな
っている。

このように構成された面光源装置２２は、発光装置１から側方に向けて出射された光を
反射部材２５及び筐体２３の内壁面２７で反射し、その反射光によって被照明部材２６を
裏面側から面状に照明するようになっている。

このような面光源装置２２によれば、従来例よりも少ない発光装置１によって、被照明
部材２６を均一な照明光で面状に照明できるため、従来例よりも部品点数を削減でき、軽
量化，省エネルギー化，及び製品価格の低廉化を図ることができる。

（変形例）
図１，図５及び図６に示した光束制御部材４の光出射面部１２は、略円筒面を例示した
が、平面形状が楕円形や多角形（四角形，五角形，六角形等）の筒状面でもよい。なお、
略円筒面としたのは、光束制御部材４を射出成形金型から離型するのを容易にするため、
光束制御部材４の光出射面部１２に抜け勾配を設けることにより、完全な円筒面で無くな
ることを考慮したものである。また、光反射部面部１１は、円錐状凹部に限らず、光入射
面部７から入射した光を側方に向けて全反射可能なように設計された非球面状のテーパー
面でも良い。

本発明に係る発光装置１は、面光源装置２２に使用される場合に限られず、案内灯や間
接照明具等として単独で使用することが可能である。

１……発光装置、２……基板、３……発光素子（例えば、ＬＥＤ）、４……光束制御部
材、５……裏面、７……光入射面部、８……頂面、１０……凹所、１１……光反射面部、
１２……光出射面部、１３……第１光入射面部分、１４……第２光入射面部分、１６……
頂点、２２……面光源装置、２５……反射部材、２６……被照明部材、Ｌ……光軸（光束
の中心）、Ｌ１……中心軸

Claims (3)

1. 発光素子からの光を入射させる光入射面部と、
   この光入射面部から入射した光を反射する光反射面部と、
   この光反射面部で反射された光を出射する光出射面部と、
   を有する光束制御部材であって、
   前記光入射面部は、
   ・前記光束制御部材のうちの前記発光素子に対向する裏面側に形成されており、前記発光素子からの立体的な出射光束の中心の光が進行する方向を光軸とすると、この光軸を中心とするように配置され且つ前記発光素子に対向するように配置され、
   ・前記出射光束のうちの前記光軸の近傍に位置する中心側の光束部分である第１光束部分を入射させる第１光入射面部分と、
   ・前記第１光入射面部分を取り囲むように配置され、前記出射光束のうちの前記第１光束部分を取り囲むように位置する第２光束部分の光の進行方向が前記光軸にほぼ沿った方向となるように光路変換して前記光束制御部材内へ入射させる第２光入射面部分と、を有しており、
   前記光反射面部は、
   ・前記光束制御部材のうちの前記裏面に対向する頂面から前記裏面側へ向かって凹むテーパー形状の凹所を形作るテーパー面であって、このテーパー面が前記光軸を中心とする回転対称面であり、
   ・前記第１光入射面部分及び前記第２光入射面部分から入射した光を前記光出射面部に向けて全反射するようになっており、
   前記光出射面部は、
   ・前記頂面と前記裏面とを接続する筒状面であって、前記光軸を中心とする筒状面であり、
   ・前記光軸に直交する方向を側方とすると、前記光反射面部で全反射された光を前記側方側へ向けて出射するようになっており、
   前記第２光入射面部分は、光軸を中心として同心円状に突出形成された複数の突起からなるフレネルレンズであり、
   前記頂面は、前記光反射面部の周囲にリング状に形成されており、このリング状の頂面から漏れる光を拡散させることによってリング状の光の帯が発生しないように粗面化された、
   ことを特徴とする光束制御部材。
2. 基板上に設置された発光素子と、前記請求項１に記載の光束制御部材とを有し、 前記光束制御部材の中心軸が前記光軸と同心に配置されてなる、
   ことを特徴とする発光装置。
3. 前記請求項２に記載の発光装置と、この発光装置から出射した光を反射する反射部材と、この反射部材で反射された光で面状に照明される被照明部材と、を備えたことを特徴とする面光源装置。

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