説明

集合線状照明装置およびその駆動方法、並びに灯具

【課題】配光特性制御、高輝度化、小型・軽量化が容易な集合線状照明装置およびその駆動方法、並びに灯具を提供する。
【解決手段】集合線状照明装置は、レーザー光を放出する光源と、複数の発光ユニットと、を備える。前記複数の発光ユニットのそれぞれは、前記光源から放出される前記レーザー光が入射される入射面と、前記入射したレーザー光を出射する出射面と、を有する線状導光体を有し、前記線状導光体のそれぞれの前記出射面から放出される光を照明光として放出可能である。前記複数の発光ユニットは、直線に沿って配置されるか、曲線に沿って配置されるか、折れ線状に配置されるか、のいずれかである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、集合線状照明装置およびその駆動方法、並びに灯具に関する。
【背景技術】
【0002】
照明装置用の固体発光素子(light-emitting devices for solid-state lighting applications)は、LED(light emitting diode)が主流である。LEDは、discreteな発光素子である。従って、線状照明装置を実現するには、LEDを並べたアレイ光源の形式となる。アレイ光源はその性質上、粒状発光となり、見た目が不自然であり、粒状発光のぎらつき感が目に刺激的である。
【0003】
また、粒々感を軽減して、できるだけ均一な発光を目指す場合は、高密度アレイにするので、素子数が多くなる。素子数が多ければ、コストが高くなり、特性の揃ったLED素子を選別する必要もある。
【0004】
たとえば、LEDを自動車のヘッドランプに応用する場合は、ヘッドランプユニットに放熱のためのヒートシンクやフィンが必要になり、また、配光特性を制御するための反射鏡やレンズなども必要とされる。このため、ヘッドランプユニットの重量もサイズも大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第3434726号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
配光特性制御、高輝度化、小型・軽量化が容易な集合線状照明装置およびその駆動方法、並びに灯具を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態の集合線状照明装置は、集合線状照明装置は、レーザー光を放出する光源と、複数の発光ユニットと、を備える。前記複数の発光ユニットのそれぞれは、前記光源から放出される前記レーザー光が入射される入射面と、前記入射したレーザー光を出射する出射面と、を有する線状導光体を有し、前記線状導光体のそれぞれの前記出射面から放出される光を照明光として放出可能である。前記複数の発光ユニットは、直線に沿って配置されるか、曲線に沿って配置されるか、折れ線状に配置されるか、のいずれかである。
【0008】
また、実施形態の集合線状照明装置の駆動方法は、前記光源を制御可能な制御部をさらに備え、前記制御部は、前記複数の発光ユニットのそれぞれに入射される前記レーザー光の強度を調節可能である上記の集合線状照明装置を用い、前記複数の発光ユニットから放出される前記照明光の配光特性を前記制御部により調整する。
【0009】
また、実施形態の灯具は、前記光源を制御可能な制御部をさらに備え、前記制御部は、前記複数の発光ユニットのそれぞれに入射される前記レーザー光の強度を調節可能である上記の集合線状照明装置を備え、前記照明光の配光特性は、前記制御部により制御可能である。
【発明の効果】
【0010】
配光特性制御、高輝度化、小型・軽量化が容易な集合線状照明装置およびその駆動方法、並びに灯具を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】第1の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図である。
【図2】図2(a)は第1の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図2(b)は部分模式斜視図、である。
【図3】図3(a)は第2の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図3(b)は発光ユニットの模式斜視図、である。
【図4】図4(a)は発光ユニットの模式斜視図、図4(b)はこれを用いた第3の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、である。
【図5】図5(a)は発光ユニットの模式斜視図、図5(b)はレンズおよび放熱板を取り付けた発光ユニットの模式斜視図、図5(c)はこれを用いた第4の集合線状照明装置の模式斜視図、である。
【図6】図6(a)は発光ユニットの模式断面図、図6(b)は発光ユニットを直線に沿って配置した集合線状照明装置の模式斜視図、図6(c)は溝部に蛍光体および光拡散剤を塗布した集合線状照明装置、図6(d)はレンズを配設した集合線状照明装置、である。
【図7】図7(a)は第6の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図7(b)はA−A線に沿った模式断面図、である。
【図8】第7の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図である。
【図9】図9(a)は、レーザー光を掃引して線状導光体へ入射する集合線状照明装置の模式斜視図、図9(b)はその変形例の部分模式斜視図、である。
【図10】集合線状照明装置を応用した画像表示装置用バックライト光源の模式斜視図である。画像表示装置のバックライト光源の応用例を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、第1の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図である。
集合線状照明装置は、半導体レーザーからなる光源10と、複数の発光ユニット60aと、60b、60c、光ファイバー20と、を有している。
【0013】
発光ユニット60は、線状導光体30を少なくとも有する。線状導光体30は、光源10からのレーザー光10aは、光ファイバー20内を伝搬したのち、線状導光体30へ入射する。レーザー光10aの一部は、導光体30の側面から上方へ放出される。図1において、3つの発光ユニット60a、60b、60cが、上方から見て、折れ線状に配置されている。
【0014】
発光ユニット60の数は、3つに限定されず、照明装置に対する要求に応じて、たとえば、2〜20などとすることができる。また、発光ユニット60は、上方からみて、直線に沿って配置されるか、曲線に沿って配置されるか、折れ線状に配置されるか、のいずれかとすることができる。
【0015】
発光ユニット60は、光広がり角が狭いレーザー光10aを放出する光源10および幅が狭い線状導光体30を有することにより、高輝度とすることができる。また、複数の発光ユニット60の駆動をそれぞれ制御することにより、集合線状照明装置90の配光を所望の特性とすることができる。
【0016】
図2(a)は第1の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図2(b)は部分模式斜視図、である。
発光ユニット60は、金属などからなるリフレクタ40をさらに有してもよい。リフレクタ40に溝部60aを設けると、線状導光体30を確実に配設することができる。また、溝部60aの内壁をミラー面とすると、光反射率を高めることができる。また、線状導光体30は、たとえば、ガラスや透明樹脂などの材料からなるものとする。さらに、線状導光体30の断面は、矩形、円形、楕円形、多角形、などとすることができる。
【0017】
また、発光ユニット60は、線状導光体30の近傍に波長変換層32を設けることができる。波長変換層32は、図2(b)のように、たとえば、線状導光体30の下面30cに接するように設けることができる。線状導光体30内を伝搬したレーザー光10aのうちの一部は、下面30cを通り抜け、波長変換層32に入射する。もし、波長変換層32が蛍光体からなるものとすると、レーザー光10aを吸収して、レーザー光10aの波長よりも長い波長の波長変換光を放出する。
【0018】
上方に向かった波長変換光g2は、出射面30bから外部に放出される。また、リフレクタ40へ向かった波長変換光は、リフレクタ40の傾斜した内壁で反射され、上方に曲げられ出射面30bから放出される(g2)。
【0019】
他方、レーザー光10aのうち、波長変換層32に吸収されなかった光の一部は、直接またはリフレクタ40で反射されさらに上方に曲げられて出射面30bから放出される(g1)。レーザー光g1と、波長変換光g2と、が合成されて生成された照明光Gが上方へ向かって放出される。
【0020】
なお、レーザー光10aの発光点のサイズは、たとえば、発光層の厚さ方向に1μm以下、発光層の水平方向に10μm近傍であり、LEDと比較して小さい。また、半導体レーザの発光層に対して垂直方向の半値半角が、15〜20度の範囲、水平方向の半値半角が略5度、などであり鋭い指向性を有する。このため、線状導光体30の狭い入射面30aに効率よく入射可能である。
【0021】
半導体レーザーが、InGaN/GaN系材料からなるものとする。半導体レーザーからのレーザー光10aが青紫〜青色光の波長範囲であり、波長変換層32が黄色蛍光体を含むものとすると、照明光Gとして、白色光を得ることができる。
【0022】
集合線状照明装置90から高出力かつ高輝度である照明光Gを放出するためには、レーザー光10aを高出力とすることが必要である。このため、光源10における発生熱は増大する。もし、光源10が発光ユニット60の近傍であると、波長変換層32の温度が上昇し、波長変換光の光強度が低下する。
【0023】
第1の実施形態では、光源10と発光ユニット60とは、光ファイバー20を介して光源10と結合される。波長変換層32が蛍光体からなるものとすると、レーザー光を吸収して発熱するが、線状に分布しているのでリフレクタ40から放熱されやすい。また、光源から離間しているので、熱伝導は小さい。このため、発光ユニット60近傍の温度上昇が抑制できる。
【0024】
本実施形態によれば、ツブツブ感を緩和し、連続的で自然な白色発光を実現できる。線状導光体30の出射面30bの幅を細くすることで、配光特性を制御する光学系を小さくできる。たとえば、光学系が凸レンズである場合、その半径を小さくすることができる。つまり、本実施形態の集合線状照明装置90は、細い導光体と細い蛍光体と小さな光学系からなる、発熱の少ない小型・軽量の白色照明光源および灯具とすることができる。
【0025】
また、白色発光領域には回路基板等の電気的配線を設ける必要がないので、取扱いが容易で、堅固で、かつ低コストにできる。また、LD(Laser Diode)は高出力化が容易な素子である。さらに、LDチップはdroopがないので、LEDより小さい一個の素子からLEDチップの数個分の光出力が得られる。つまり、少ない素子数で高出力化が可能である。素子数が少なければ、コスト低減が容易となる。
【0026】
図3(a)は第2の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図3(b)は発光ユニットの模式斜視図、である。
第2の実施形態では、線状導光体30は、光ファイバー20のコアの先端部(破線領域)とする。コアの先端部において、外縁の少なくとも一部の領域に、蛍光体などからなる波長変換層32が設けられる。また、図3(b)のように、コアの外縁を覆うように設けられた波長変換層32は、溝部40a内に配設される。このようにして、照明光Gが発光ユニット60a、60b、60cから放出される。光ファイバー20を線状導光体30であると、発光ユニット60を緩やかな曲線に沿った形状とすることができる。この場合、発光ユニット60a、60b、60cなどは、上方から見て曲線に沿って配置されてもよい。
【0027】
図4(a)は発光ユニットの模式斜視図、図4(b)はこれを用いた第3の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、である。
光ファイバー20の先端部において、クラッドを除去し露出したコア領域を線状導光体30とする。波長変換層32は、コアの外縁に接して設けられる。波長変換層32から放出された波長変換光と、波長変換層32を通り抜けたレーザー光は合成され、照射光Gとなる。
【0028】
図4(b)において、波長変換層32の上方を遮らないようにリフレクタ40を互いに重ね合わせる。この場合、波長変換層32の間の距離が短くなるように重ねることにより、輝度分布を平坦にすることができる。上方からみて、発光ユニット60a、60b、60c、60d、60eは、直線に沿って配置されている。
【0029】
図5(a)は発光ユニットの模式斜視図、図5(b)はレンズおよび放熱板を取り付けた発光ユニットの模式斜視図、図5(c)はこれを用いた第4の集合線状照明装置の模式斜視図、である。
光ファイバー20の先端部は、クラッドを除去し、溝部40a内に配設される。さらにたとえば、蛍光体および光拡散剤が混合されたシリコーンが塗布され、硬化される。リフレクタ40の厚さは、たとえば1cm以下とすることができる。
【0030】
さらに、図5(b)のように、リフレクタ40が重ならない領域に放熱板70を取り付けると、レーザー光10aを吸収することにより蛍光体に生じた熱を放散できる。放熱板70には凹部70aを設け、連結された発光ユニット60の光ファイバー20を通し光源10と光結合する。リフレクタ40の上方に、たとえば、樹脂などからなるレンズ80を配設すると、配光角を制御することができる。もし、レンズ80の断面を凸状にすると、照明光Gを集光し高輝度とすることができる。
【0031】
図6(a)は発光ユニットの模式断面図、図6(b)は発光ユニットを直線に沿って配置した集合線状照明装置の模式斜視図、図6(c)は溝部に蛍光体および光拡散剤を塗布した集合線状照明装置、図6(d)はレンズを配設した集合線状照明装置、である。
図6(a)のように、光ファイバー20は、折り曲げられ、リフレクタ40の溝部40aに配設される。光ファイバー20の水平部分を研磨してコア20cを露出するか、またはクラッドを除去する。
【0032】
図6(b)のように、複数の発光ユニット60を連結する。続いて、光ファイバー20を蛍光体および光拡散剤が混合されたシリコーンなどで覆い、硬化する。このようにすると、表面が平坦な集合線状照明装置90となる。さらに、図6(d)のように、リフレクタ40の上に、凸レンズ80を配設すると、広がり角を狭くできる。
【0033】
図7(a)は第6の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図、図7(b)はA−A線の沿った模式断面図、である。
線状導光体30は、透明パイプ状とし、内部に貫通孔30dを有する。光ファイバー20の第1の端部20aは光源10と光結合可能である。また。光ファイバ20の第2の端部20bは線状導光体30と光結合可能である。光ファイバー20の第2の端部20bは、たとえば、線状導光体30の貫通孔30dの一方に介挿される。貫通孔30dの他方には、波長変換層32が設けられる。
【0034】
この場合、線状導光体30の入射面は、図7(b)に鎖線30eで表す面とする。レーザー光10aは線状導光体30内を伝搬し、波長変換層32に入射する。波長変換光は、直接、またはリフレクタ40の内壁により反射されたのち、出射面30bから放出される。
【0035】
図8は、第7の実施形態にかかる集合線状照明装置の模式斜視図である。
集合線状照明装置91は、光源10を駆動可能な制御部92と、光源10および制御部92で生じた熱を放散可能な放熱体96と、制御部92および光源10を収納可能であり、底面94aに放熱体96が取り付け可能な筐体94と、をさらに有する。
【0036】
このようにすると、発光ユニット60と、発生熱の大きい筐体94とを分離でき、波長変換効率を高めることができる。また、発光ユニット60は、電気回路がなくても、照明光を放出できる。
【0037】
図8の光源10は、複数の光源からなるものとすることができる。この場合、制御部92は複数の光源を独立に駆動できる。このようにして、独立に駆動された光源からのレーザー光は、それぞれの線状導光体30へ入射される。この駆動方法により、複数の発光ユニット60を選択的に発光させることができる。
【0038】
図9(a)は、レーザー光を掃引して線状導光体へ入射する集合線状照明装置の模式斜視図、図9(b)はその変形例の部分模式斜視図、である。
図9(a)において、光源10からのレーザー光10aを、掃引により、光ファイバー20に選択的に入射させることができる。この場合、光源10と第1の端部20aとの間に、たとえばポリゴンミラーやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)などの光学要素を設けレーザー光10aの光路を変化させると、それぞれの第1の端部20aを掃引することが容易となる。
【0039】
図9(b)において、線状導光体30の先端部には波長変換層32が設けられている。レーザー光10aは、軸の周りを回転するポリゴンミラーMにより、線状導光体30の入射面30a上を順次掃引される。なお、ポリゴンミラーMの代わりに、MEMSなどを用いて、レーザー光10aの光路を切り替えることもできる。さらに、レーザー光10aは、複数のレーザー光を合成したものとすることができる。
【0040】
第1〜第6の集合線状照明装置90は、たとえば、高輝度の白色光源が必要な自動車のヘッドランプなどの灯具に利用することができる。
【0041】
もし、高輝度LEDを複数並べた白色光源を用いた自動車用ヘッドランプの場合、次のような問題を生じる。すなわち、高輝度のLEDチップは放熱と低抵抗、さらにdroopと呼ばれる高電流密度動作での出力低下を防ぐために、チップ面積を大きくする必要がある。通常、高輝度LEDチップは、一般に1mm角以上の面積であるため、ヘッドランプに必要な配光を得るための光学系、たとえば反射鏡やレンズは大きなものとなる。
【0042】
また、HID(High Intensity Discharge)ランプ/ハロゲン電球の場合のように、LEDも白色発光部が高温になる。たとえば、アーク放電を利用するHIDは内管が400℃であり、ハロゲン電球もフィラメントは高温である。LEDもLEDチップと蛍光体の両方が発熱する。固体発光素子は、電流の自乗で発熱が増えるため、高輝度LEDは放熱が課題となる。したがって、LEDをヘッドランプに応用する場合は、ヘッドランプユニットに放熱のためのヒートシンクやフィンが必要になり、重量もサイズも大きくなる。
【0043】
このため、重量もサイズも大きいLEDヘッドランプは、ヘッドランプの配光をステアリング方向に向け、進行方向に光を照射し視認性向上を図ったAFS(Adaptive Front-Lighting System:アダプティブ・フロント ライティング システム) などに用いることは困難である。
【0044】
これに対して、本実施形態では、たとえば、光軸が異なる2つの集合線状照明装置90を配置することができる。この場合、制御部92は、集合線状照明装置90を選択的にオンすることにより、照明光Gの配光方向をハイ(H)ビームモード、またはロー(L)ビームモードに切り替えることができる。また、制御部92は、複数の発光ユニット60のオン・オフを制御し配光特性を変化することができる。たとえば、5つの発光ユニット60からの照明光G1〜G5のオン・オフにより、ヘッドランプの点灯幅を制御可能である。または、独立の光源を制御し、それぞれの発光ユニット60へ入射する光強度を制御可能である。このようにして、AFSが容易に可能となる。
【0045】
図10は、集合線状照明装置を応用した画像表示装置用バックライト光源の模式斜視図である。
バックライト光源(Light Bar)は、集合線状照明装置90と、薄い導光板82と、バックフレーム86と、光学シート84と、を有する。光学シート84に上には、たとえば液晶パネルが設けられる。
【0046】
すなわち、細くて連続的な線状発光領域は、薄い導光板82の側面に効率よく光を入射可能である。また、筐体94は、導光板82から離間して配置できる。たとえば画像表示装置が液晶表示装置の場合、その制御部も導光体82から離間して配置できる。こ場合、駆動信号を無線で送信することができ、薄型壁掛TVなどが実現できる。この場合、青色LDにより励起する緑、赤色蛍光体を用いてもよいし、RGBのそれぞれのLD出力を順次に、または合成して光ファイバーに入力してもよい。
【0047】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0048】
10 光源、10a レーザー光、20 光ファイバー、30 線状導光体、32 波長変換層、40 リフレクタ、40a 溝部、60、60a、60b、60c、60d、60e、発光ユニット、80 レンズ、90、91 集合線状照明装置、92 制御部、94 筐体、96 放熱体、G 照明光

【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー光を放出する光源と、
複数の発光ユニットであって、前記複数の発光ユニットのそれぞれは、前記光源から放出される前記レーザー光が入射される入射面と、前記入射したレーザー光を出射する出射面と、を有する線状導光体を有し、前記線状導光体のそれぞれの前記出射面から放出される光を照明光として放出可能な、複数の発光ユニットと、
を備え、
前記複数の発光ユニットは、直線に沿って配置されるか、曲線に沿って配置されるか、折れ線状に配置されるか、のいずれかであることを特徴とする集合線状照明装置。
【請求項2】
複数の光ファイバーであって、前記複数の光ファイバーのそれぞれは、前記光源からのレーザー光が入射される第1の端部と、前記第1の端部に入射された前記レーザー光を出射する第2の端部と、を有する、複数の光ファイバーをさらに備え、
前記複数の光ファイバーのそれぞれは、前記光源と、前記複数の発光ユニットの前記線状導光体のそれぞれの前記入射面と、のあいだに設けられたことを特徴とする請求項1記載の集合線状照明装置。
【請求項3】
前記複数の発光ユニットのそれぞれは、前記線状導光体を配設可能な溝部が設けられたリフレクタを有することを特徴とする請求項1または2に記載の集合線状照明装置。
【請求項4】
前記複数の発光ユニットの前記それぞれは、前記溝部内において前記線状導光体に沿って設けられかつ前記レーザー光を吸収して波長変換光を放出する波長変換層をさらに有し、
前記リフレクタは、前記レーザー光と前記波長変換光を反射可能であり、
前記レーザー光と前記波長変換光は、前記出射面から放出されて前記照明光を生成することを特徴とする請求項3記載の集合線状照明装置。
【請求項5】
前記複数の発光ユニットのそれぞれは、前記線状導光体を配設可能な溝部が設けられたリフレクタを有し、
前記複数の光ファイバーのそれぞれの前記第2の端部は、前記溝部内に配設されたことを特徴とする請求項2記載の集合線状照明装置。
【請求項6】
前記複数の発光ユニットの前記それぞれは、前記溝部内において前記線状導光体に沿って設けられかつ前記レーザー光を吸収して波長変換光を放出する波長変換層をさらに有し、
前記リフレクタは、前記レーザー光と前記波長変換光を反射可能であり、
前記レーザー光と前記波長変換光は、前記出射面から放出されて前記照明光を生成し、
前記線状導光体は、貫通孔を有し、
前記貫通孔の一方には、前記複数の光ファイバ−のそれぞれの前記第2の端部が挿入され、
前記貫通孔の他方には、前記波長変換層が設けられたことを特徴とする請求項5記載の集合線状照明装置。
【請求項7】
前記波長変換層は、前記複数の光ファイバーのそれぞれが有するコアの外縁に接して設けられたことを特徴とする請求項6記載の集合線状照明装置。
【請求項8】
前記光源は、独立に駆動可能な複数のレーザー素子を有し、
前記複数の発光ユニットのそれぞれには、前記複数のレーザー素子のそれぞれからのレーザー光が入射されることを特徴とする1〜7のいずれか1つに記載の集合線状照明装置。
【請求項9】
前記光源は、レーザー素子と、前記レーザー素子から放出されたレーザー光の光路を変化させる光学要素と、を有し、
前記レーザー素子から放出された前記レーザー光の光路を前記光学要素により変化させることにより、前記複数の発光ユニットが有する前記線状導光体のそれぞれに前記レーザー光を選択的に入射させることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の集合線状照明装置。
【請求項10】
前記光源を制御可能な制御部をさらに備え、
前記制御部は、前記複数の発光ユニットのそれぞれに入射される前記レーザー光の強度を調節可能であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1つに記載の集合線状照明装置。
【請求項11】
前記光源で生じた熱を放散可能な放熱体と、
前記光源を収納可能であり、底面に前記放熱体が取り付けられた筐体と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項10記載の集合線状照明装置。
【請求項12】
請求項10記載の集合線状照明装置を用い、
前記複数の発光ユニットから放出される前記照明光の配光特性を前記制御部により調整することを特徴とする集合線状照明装置の駆動方法。
【請求項13】
請求項10記載の集合線状照明装置を備え、
前記照明光の配光特性は、前記制御部により制御可能であることを特徴とする灯具。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2013−80638(P2013−80638A)
【公開日】平成25年5月2日(2013.5.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−220494(P2011−220494)
【出願日】平成23年10月4日(2011.10.4)
【出願人】(000111672)ハリソン東芝ライティング株式会社 (995)
【Fターム(参考)】