電球形ＬＥＤ光源
【課題】効率を落とすことなく、且つ外管グローブ上の輝度均整度が改善される、つまり光むらを少なくすることができる電球形ＬＥＤ光源を提供する。
【解決手段】この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を外管グローブ内に略平面状に配置され、各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、各々のＬＥＤ素子が外管グローブ内面に光を照射する配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、重なりはｎ重の配光エリアを一部に有し、且つｎ重の配光エリアが外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする。
【解決手段】この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を外管グローブ内に略平面状に配置され、各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、各々のＬＥＤ素子が外管グローブ内面に光を照射する配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、重なりはｎ重の配光エリアを一部に有し、且つｎ重の配光エリアが外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電球形ＬＥＤ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電球形の光源において、外管グローブは本来透過率を下げるため、発光効率の観点から考えれば逆効果なものだが、一般照明用として用いるときは、ＬＥＤ（発光ダイオード）の輝度が高いためまぶしく、これを抑制するためには乳白色の光拡散効果のある外管グローブをＬＥＤ光源の前面に配置することが公知である。
【０００３】
例えば、図７は従来のＬＥＤ電球２００を示す断面図である。ＬＥＤ電球２００は、簡単な構成で輝度が均一で照射範囲の広い白色光が得ることができ、また、配光パターンが簡単に変えられ、一般の商用電源に直接接続でき、一般に広く使用されている白熱電球との互換性があるＬＥＤ電球を提供することを目的とする。
【０００４】
このＬＥＤ電球２００は、一端に口金２０１が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がるカバー２０２と、このカバー２０２の開口部に取付けられ内面に光拡散層２０６を有する外管グローブ２０５と、カバー２０２と外管グローブ２０５により形成された略球体２０７の内部に設けられた基板２０３と、この基板２０３の外管グローブ２０５に対向する外面に実装されたＬＥＤ素子２０４と、を備える。また、外管グローブ２０５は、光拡散効果のある均一な材質（アクリル等）の場合もある。
【０００５】
また、基板２０３をカバー２０２の開口部外面に平行な板状にしたものである。即ち、平面状の基板２０３に複数個のＬＥＤ素子２０４が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２４３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなＬＥＤ電球２００では、ＬＥＤ素子２０４から放射された光が外管グローブ２０５に照射され、部分的には複数個のＬＥＤ素子２０４から放射された光が重なるエリアが発生したり、照射エリアから外れたりする。即ち、輝度むらが発生するという課題があった。
【０００８】
また、ＬＥＤ素子２０４が同一基板２０３上に同一照射方向に向けて設置されているため、電球や電球形蛍光ランプと異なり、商品形状としてはあたかも電球状になっているが、配光特性は全く異なり、スポットライトの様に一方向かつ基板２０３面に垂直な方向のみに集中的に照射される。従来、白熱電球を光源としていた照明器具の光源として置換えた場合、部屋全体の照度分布が大きく変化し、一般に天井や壁が交換以前に比べ甚だしく暗くなってしまうという不具合もあった。
【０００９】
またダウンライトの光源として用いられた場合、壁面への配光はあまり重要視されないため、むしろ直下照度が白熱電球と同等となる様、軸線上に配光を集中させる傾向があった。この場合、外管グローブ２０５で損失となりやすい中心軸に垂直成分の拡散しやすい配光が相対的に減少するので、発光効率は高まるが、発光面は中央のみが高輝度となり、外管面上の輝度均整度は低下し、むらが出る不具合があり、また壁が暗くなるという課題が大きく浮き彫りになる。
【００１０】
また、ｎ数（ＬＥＤ素子２０４の数、ｎは自然数）を極めて大きくすれば上記課題は解決するように見える。しかし、実際は有限の面積を持つ基板２０３面上に多くのＬＥＤ素子２０４は配置できず、コスト的にも商品性を落し、かつ温度が高くなりすぎＬＥＤ素子２０４の寿命が短くなり、ＬＥＤの特徴とされる長寿命特性を大きく犠牲にすることとなってしまう。
【００１１】
外管グローブ２０５の透過率を下げ、拡散性を高くすれば輝度均整度は良好になるが、これではランプそのものの発光効率が低下してしまう。
【００１２】
発光効率を左右する要因として、照射する光軸に垂直な拡散用フィルター（外管グローブ２０５）へは凡そほとんどがフィルター媒体に進入し、減衰しながら通過する。これを直線透過率と呼ぶ。しかし、光軸がフィルターに対しある角度を持って斜めから進入すると、光の一部はフィルター媒体に進入せず、反射してしまう。ＬＥＤ電球２００の場合、外管グローブ２０５内で反射した光は更に多重反射し、外管グローブ２０５外へ照射されるものと外管グローブ２０５内でロスとなるものに分かれる。つまり光軸に垂直でない部分を持つ外管グローブ２０５では、入射角が薄い部分が多いほど内部ロスが増加し、全体の発光効率は減少する。従って平面状に配光角の狭い複数のＬＥＤを配置し、全てのＬＥＤ光軸に垂直となる平面状の拡散板を設置すれば上記ロスは減少するが、白熱電球代替としてのパフォーマンスが落ちる。
【００１３】
今後ＬＥＤ電球２００が普及し、多くの配光パターンを持った製品が展開されれば、ユーザーも用途に合わせた製品選択が可能となる。しかし、当面販売数量とコストや実売価格の制限により、現実的には製品に多くの配光パターンは無く、主に直下照度を既存の白熱電球と同程度とすることが設計の方針となっている。我々はこの“直下照度”と“壁への配分”と“光源自体の輝度均整度（輝度むらの少なさ）”を実使用状態に最適なバランスとすることを検討した。従って本来ＬＥＤ素子２０４の持つ効率を上げたり、直下照度を維持しつつ壁への配光を追加したりするものではなく、現在ある総光量の配分方法を最適化し、その用途を広げることを目的とした。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、効率を落とすことなく、且つ白熱電球様の外管グローブ上の輝度均整度が改善される、つまり光むらを少なくすることができる電球形ＬＥＤ光源を提供する。
【００１５】
また、複数個用いられるＬＥＤ素子の配光角を、各々適宜変更する設計手段が考えられるが、この手法を用いることは工業的に煩雑な工程を生み、総使用ＬＥＤ素子数は同じでも、複数の種類に分かれてしまうため、量産性が落ちコストは上昇し、部材準備のリードタイムが延びるため、この手法は用いないことを前提とした。
【００１６】
また更に、配光角を変えずに、各ＬＥＤ素子の光軸を変化させることも手法として考えられ、弊社ではＰＡＲＡＴＨＯＭ ＣＬＡＳＳＩＣ Ａとして商品化しているが、一枚の基板面に直接ＬＥＤを設置できないというやはり工業的観点からは課題のある手法であったため、検討からは外した。
【００１７】
従って、本課題を解決する際、用いる設計手法はＬＥＤ素子の配光角は全て同一とし煩雑な識別や使い分けが不要、かつＬＥＤ素子は基板上に同一照射方向に設置され、光軸は全て基板面に垂直な方向のみである設計に限定した。
【００１８】
ここで設計は望ましくは下半球に一様な配光を持ち、更には上半球にも同様な配光をもつべきだが、現実的にはまだこのような要望を満足できるＬＥＤ素子が無く、我々は下半球にできるだけ一様な配光かつ、やはり直下照度にもある程度配分を持った設計をすることとした。
【００１９】
また外管グローブの直線透過率は約９０％のものとした。しかしこの透過率は本発明とは本質的に独立な事象であり、９０％に本発明の効果が限定されるものではない。
【００２０】
ＬＥＤ素子の配光角とは、図８に示した様に、中心軸の光量を１００％としたとき、中心軸からある角度を持ってＬＥＤ発光中心を見込んだ際、光量が中心軸線上に比べ５０％まで低下するまでの中心軸からの２次元的角度である。即ち、中心軸を中心に両側に各々５０％まで低下する中心軸を中心とする角度である。従って、実際はこのエリアの外側にも少ないながら光は照射されているが、設計検証を明確にするためここではＬＥＤ素子の配光角の内側のエリアを配光エリアと定義することとした。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を光源とし、電球形状の外観を有し、且つ電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源であって、Ｅ或いはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブを有する電球形ＬＥＤ光源において、
ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を外管グローブ内に略平面状の基板同一面に配置され、
各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、かつ配光角の中心軸は略平面状の基板面に垂直とし、
各々のＬＥＤ素子が外管グローブ内面に光を照射する配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、
重なりはｎ重の配光エリアをランプ中心軸上にある外管バルブ内面上を含む一部に有し、且つｎ重の配光エリアが外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする電球形ＬＥＤ光源。
【００２２】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、何れのＬＥＤ素子の配光エリアからも外れるエリアが、外管グローブ内面の３０％未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、上記構成により、効率を落とすことなく、且つ外管グローブ上の輝度均整度が改善される、つまり光むらを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１を示す図で、電球形ＬＥＤ光源１００の側面図（ａ）と正面図（ｂ）。
【図２】実施の形態１を示す図で、電球形ＬＥＤ光源の配光特性を示す図。
【図３】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝３の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図４】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝４の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図５】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝５の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図６】比較例１〜７、及び実施例１〜４の設計パラメータと評価結果を示す図。
【図７】従来のＬＥＤ電球２００を示す断面図。
【図８】ＬＥＤ素子の配光角を定義する図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
実施の形態１．
図１乃至図６は実施の形態１を示す図で、図１は電球形ＬＥＤ光源１００の側面図（ａ）と正面図（ｂ）、図２は電球形ＬＥＤ光源の配光特性を示す図、図３はＬＥＤ素子数ｎ＝３の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図４はＬＥＤ素子数ｎ＝４の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図５はＬＥＤ素子数ｎ＝５の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図６は比較例１〜７、及び実施例１〜４の設計パラメータと評価結果を示す図である。
【００２６】
図１に示すように、電球形ＬＥＤ光源１００は、一端に口金１が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がる金属性の放熱部品２が設けられている。放熱部品２と、この放熱部品２の開口部に取付けられ内面に光拡散層６を有する外管グローブ５と、放熱部品２と外管グローブ５により形成された略球体７の内部に設けられた基板３と、この基板３の外管グローブ５に対向する外面に実装されたＬＥＤ素子４と、を備える。
【００２７】
本実施の形態における電球形ＬＥＤ光源１００は、以下に示す特徴を有する。
（１）ＬＥＤ素子４（発光ダイオード）を光源とする。
（２）電球形状の外観を有する（図１参照）。
（３）電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔＲａｄ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源である。
（４）ＪＩＳ Ｃ７７０９−１に規定されたＥ２６口金、もしくはＥ１７口金などのＥ口金、もしくはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブ５を有する電球形ＬＥＤ光源１００である。
（５）ＬＥＤ素子４が、少なくともｎ（４以上の自然数）個外管グローブ５内の基板３に平面状に配置される。
（６）各々のＬＥＤ素子４は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光特性（配光角）を有する（配光角については、図２、図８を参照）。尚、１２０°以上のＬＥＤ素子４は配光角が広く、外管グローブ５を用いる光源としては照射角が広すぎ、そもそも輝度むらが発生するという課題が重要とはならない反面、外管グローブ５でのロスが大きく、光源としての効率が低く、直下照度も高くしづらい。
（７）各々のＬＥＤ素子４が外管グローブ５内面に配光する配光エリアが重なるようにする。
（８）重なりはｎ重の配光エリアを一部に有し、且つｎ重に重なる配光エリアが外管グローブ５内面の１０％以上である。
（９）いずれのＬＥＤ素子４の配光エリアからも外れる（以下０重という）エリアが外管グローブ５内面の３０％未満である。
【００２８】
従来のＬＥＤ電球２００において、外管グローブ２０５に輝度むらが発生する原因を調査すると、以下の二つの理由で輝度むらが発生していることが判明した。
（１）ある固有のＬＥＤ素子２０４から放射された光が固有の配光角をもって照射されるが、各ＬＥＤ素子２０４から照射範囲内にある外管グローブ２０５内面までの距離が異なる。
（２）複数個のＬＥＤ素子２０４から照射された光が重畳するエリアと重畳しないエリアが存在する。
【００２９】
発明者等の一連の調査の結果、前者（１）は、後者（２）に比べ光むらに対する影響が比較的小さいことが判明した。
【００３０】
また一連の検討により、配光の重なりが点対称になるとむらは比較的気にならないことが判明した。
【００３１】
発明者等は、外管グローブ５の輝度均整度を改善するため、後者（２）の検討を行った。その結果を図６に示す。尚、図６における比較例１（１）〜比較例６（６）、実施例（７）〜（９）は、図３〜図４の（１）〜（９）、実施例（１１）は、図５の（１１）に対応している。図６の比較例７（１０）については、対応する外管グローブ５における配光エリアを示す略図は省略している。図４における（６）の、比較例６（６）の配光エリアを示す略図では、同心円の位置に配置されるＬＥＤ素子４を中心に寄せている。
【００３２】
ｎ個のＬＥＤ素子４から放射された光は、最大ｎ重の配光エリアを生む。これにはＬＥＤ素子４の配置及び配光角の選定によっては最大でもｎ重未満の重複しか発生しない場合も存在する。ここでは、ＬＥＤ素子４と外管グローブ５内面までの距離は、極めて限られた範囲しかとれず、大きな差を生む要因にはなり得ないため、ＬＥＤ素子４から照射される外管グローブ５内面までの距離の差よりも、何重の配光エリアにあるかで輝度は支配される傾向にあった。
【００３３】
また外管グローブ５の中心から徐々に周辺部に向かって輝度が低下してゆく場合は輝度むらとして認識されにくく、つまり輝度のグラディエーションの割には不快さは感じられなかった。そこで調査において輝度均整度に関しては、一つの光源の外管グローブ５上の輝度を多数測定し、そのバラツキを数値的に把握するのではなく、実際光源を見た際に感じる輝度むらに関する官能評価とし、被験者が不快と感じる場合を×、若干不快を感じる場合を△、問題が無い場合を○として評価し。○の領域を市場満足レベルとして設計基準とした。
【００３４】
従って、輝度均整度を上げるためには、ＬＥＤ素子４の配光角の大きいものを選定し、ＬＥＤ素子４の数ｎを多くし、基板３上に基板３の中心及び／または中心に対し同心円上に配置し、０重のエリアを狭めることが重要である。一方直下照度を上げるにはｎ重となる配光エリアをランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）軸線上に設けることが重要となる。ランプ全体の発光効率を上げるためにはＬＥＤ素子４の配光角をできるだけ狭いものを使うことが重要である。
【００３５】
このお互い矛盾する命題をバランスさせて顧客満足を実現するには、ＬＥＤ素子４の数ｎ（ｎは自然数）は少なくとも４以上が望ましい。図３に示すように、ＬＥＤ素子４の数ｎが３では、極めて配光角の広いＬＥＤ素子４が必要となり、外管グローブ５内のロスが増えランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）全体の発光効率が満足できない。
【００３６】
また、ＬＥＤ素子４の数ｎ＝３の場合、輝度均整度と点対称を設計に盛込むと図３の様な配置となり、中央部の重複が困難で、直下照度が高くできないことが判明した。従ってｎは４以上が望ましい。比較例で上げたｎ＝３の９０°の例は中央にｎ＝３重の配光エリアが発生するが、輝度均整度と満足のいく直下照度の両立ができなかった。
【００３７】
照射角が広いとｎ重の配光エリアは作りやすくなるが、反面外管グローブ５外に照射するロスが増加するため、配光角（図２のθ１）は１２０°以下が望ましい。また照射角が狭すぎるとｎ重のエリアが発生しにくくなるため、配光角は６０°以上が望ましい。
【００３８】
直下照度を上げることも重要な設計要因であり、少なくともランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）中心線上の外管グローブ５にはｎ重の配光エリアが存在すべきである。
【００３９】
また、外管グローブ５上のｎ重の配光エリアは、全体の１０％以上を占めなければ実質的に満足な直下照度は得られない。一方同心円の位置にＬＥＤ素子４を配置すれば目視したところ輝度むらは感じづらくなる。
【００４０】
ＬＥＤ素子４は、全て１素子当り１Ｗ定格消費電力で１００ｌｍを出力する、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組合せた一般的な白色ＬＥＤ素子を用いた。そして、配光角のみ３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°と５種類の配光角が異なるタイプを準備し、図１に示す直径５５ｍｍのプリント基板３上に中央に１素子、かつ場合によってはその周囲に点対称となる位置に、基板３中央から同心円状に複数個のＬＥＤ素子４を配置し、Ｅ２６口金タイプの電球形ＬＥＤランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）を試作し、比較評価を行った。
【００４１】
特に説明はしていないが、基板３の温度が上昇するため、基板３より口金１側に十分な放熱媒体が設けてある。また試作ランプには、全て図１に示した外管グローブ５の内面にシリカ微粉末をコーティングした直線透過率が９０％の直径６０ｍｍのガラス製白色の外管グローブ５を全てに用いた。
【００４２】
０重エリアをパラメータとして比較するため、前記同心円の半径で０重エリアの割合を変化させ、試作品を作成した。ＬＥＤ素子４の素子数ｎが異なるが、全て定格点灯させた。また当然ＬＥＤ素子４の素子数ｎが多ければ、完成ランプ自体の全光束は大きくなる。しかし、本実験では全光束を統一するのではなく、ＬＥＤ素子４の素子数ｎで規格化（つまりＷで割戻し相対評価）した。従って１素子の場合は１Ｗ（但し電源ロスは計算から外した）、５素子の場合は５Ｗの電力がＬＥＤ素子４に入力されている。
【００４３】
効率を比較するため、用いたＬＥＤ素子４の素子数をｎとし、外管透過率０．９のときの理論効率（単位ｌｍ／Ｗ）：定格出力１００（ｌｍ／素子）×ｎ（素子）／ｎ（Ｗ）×０．９（外管透過率）を１００％とし、試作ランプの全光束値を積分球にて測定し相対値で示した。
【００４４】
効率は当然高い方が望ましく、我々は９０％以上を良好と考えた。また外管グローブ５上の輝度のむらを輝度均整度と呼ぶが、これは輝度がいたるところで均一な方が望ましいが、蛍光ランプを光源に持つ電球形蛍光ランプとは異なり、高輝度な極小光源でかつ配光角があるため、現実的には外管グローブ５上で均一な輝度にはなり得ない。これをいかに均整にするかでユーザーの満足感が変る。
【００４５】
また、直下照度に関しては試作ランプをベースアップで点灯し、ランプ直下１ｍの照度を照度計で測定し、各々測定照度をランプ総ワット数で割った値とした。つまり、４個のＬＥＤ素子４を使用した４Ｗの直下照度が５２ｌｘであれば、直下照度＝５２／４＝１３（ｌｘ／Ｗ）とした。直下照度は１０（ｌｘ／Ｗ）以上が一般に満足できる値である。これは当然同じ設計であればランプの総消費電力に概ね比例して大きくなり、必要な直下照度をユーザーが得るためには電球形ＬＥＤランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）のワット数を調整するか、或いは使用灯数を調整するかになる。
【００４６】
実施例は、基板５の中央に１粒のＬＥＤ素子４を配置したが、これは必ずしも中央に配置する必要は無い。また外管グローブ５の透過率は９０％に限られないし、材質もガラス製以外の樹脂製であってもかまわない。ＬＥＤ素子４の配置は、比較を主旨としたため同心円状とした。
【符号の説明】
【００４７】
１ 口金、２ カバー、３ 基板、４ ＬＥＤ素子、５ 外管グローブ、６ 光拡散層、７ 略球体、１００ 電球形ＬＥＤ光源、２００ 電球形ＬＥＤ光源、２０１ 口金、２０２ カバー、２０３ 基板、２０４ ＬＥＤ素子、２０５ 外管グローブ、２０６ 光拡散層、２０７ 略球体。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電球形ＬＥＤ光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電球形の光源において、外管グローブは本来透過率を下げるため、発光効率の観点から考えれば逆効果なものだが、一般照明用として用いるときは、ＬＥＤ（発光ダイオード）の輝度が高いためまぶしく、これを抑制するためには乳白色の光拡散効果のある外管グローブをＬＥＤ光源の前面に配置することが公知である。
【０００３】
例えば、図７は従来のＬＥＤ電球２００を示す断面図である。ＬＥＤ電球２００は、簡単な構成で輝度が均一で照射範囲の広い白色光が得ることができ、また、配光パターンが簡単に変えられ、一般の商用電源に直接接続でき、一般に広く使用されている白熱電球との互換性があるＬＥＤ電球を提供することを目的とする。
【０００４】
このＬＥＤ電球２００は、一端に口金２０１が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がるカバー２０２と、このカバー２０２の開口部に取付けられ内面に光拡散層２０６を有する外管グローブ２０５と、カバー２０２と外管グローブ２０５により形成された略球体２０７の内部に設けられた基板２０３と、この基板２０３の外管グローブ２０５に対向する外面に実装されたＬＥＤ素子２０４と、を備える。また、外管グローブ２０５は、光拡散効果のある均一な材質（アクリル等）の場合もある。
【０００５】
また、基板２０３をカバー２０２の開口部外面に平行な板状にしたものである。即ち、平面状の基板２０３に複数個のＬＥＤ素子２０４が配置されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２４３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このようなＬＥＤ電球２００では、ＬＥＤ素子２０４から放射された光が外管グローブ２０５に照射され、部分的には複数個のＬＥＤ素子２０４から放射された光が重なるエリアが発生したり、照射エリアから外れたりする。即ち、輝度むらが発生するという課題があった。
【０００８】
また、ＬＥＤ素子２０４が同一基板２０３上に同一照射方向に向けて設置されているため、電球や電球形蛍光ランプと異なり、商品形状としてはあたかも電球状になっているが、配光特性は全く異なり、スポットライトの様に一方向かつ基板２０３面に垂直な方向のみに集中的に照射される。従来、白熱電球を光源としていた照明器具の光源として置換えた場合、部屋全体の照度分布が大きく変化し、一般に天井や壁が交換以前に比べ甚だしく暗くなってしまうという不具合もあった。
【０００９】
またダウンライトの光源として用いられた場合、壁面への配光はあまり重要視されないため、むしろ直下照度が白熱電球と同等となる様、軸線上に配光を集中させる傾向があった。この場合、外管グローブ２０５で損失となりやすい中心軸に垂直成分の拡散しやすい配光が相対的に減少するので、発光効率は高まるが、発光面は中央のみが高輝度となり、外管面上の輝度均整度は低下し、むらが出る不具合があり、また壁が暗くなるという課題が大きく浮き彫りになる。
【００１０】
また、ｎ数（ＬＥＤ素子２０４の数、ｎは自然数）を極めて大きくすれば上記課題は解決するように見える。しかし、実際は有限の面積を持つ基板２０３面上に多くのＬＥＤ素子２０４は配置できず、コスト的にも商品性を落し、かつ温度が高くなりすぎＬＥＤ素子２０４の寿命が短くなり、ＬＥＤの特徴とされる長寿命特性を大きく犠牲にすることとなってしまう。
【００１１】
外管グローブ２０５の透過率を下げ、拡散性を高くすれば輝度均整度は良好になるが、これではランプそのものの発光効率が低下してしまう。
【００１２】
発光効率を左右する要因として、照射する光軸に垂直な拡散用フィルター（外管グローブ２０５）へは凡そほとんどがフィルター媒体に進入し、減衰しながら通過する。これを直線透過率と呼ぶ。しかし、光軸がフィルターに対しある角度を持って斜めから進入すると、光の一部はフィルター媒体に進入せず、反射してしまう。ＬＥＤ電球２００の場合、外管グローブ２０５内で反射した光は更に多重反射し、外管グローブ２０５外へ照射されるものと外管グローブ２０５内でロスとなるものに分かれる。つまり光軸に垂直でない部分を持つ外管グローブ２０５では、入射角が薄い部分が多いほど内部ロスが増加し、全体の発光効率は減少する。従って平面状に配光角の狭い複数のＬＥＤを配置し、全てのＬＥＤ光軸に垂直となる平面状の拡散板を設置すれば上記ロスは減少するが、白熱電球代替としてのパフォーマンスが落ちる。
【００１３】
今後ＬＥＤ電球２００が普及し、多くの配光パターンを持った製品が展開されれば、ユーザーも用途に合わせた製品選択が可能となる。しかし、当面販売数量とコストや実売価格の制限により、現実的には製品に多くの配光パターンは無く、主に直下照度を既存の白熱電球と同程度とすることが設計の方針となっている。我々はこの“直下照度”と“壁への配分”と“光源自体の輝度均整度（輝度むらの少なさ）”を実使用状態に最適なバランスとすることを検討した。従って本来ＬＥＤ素子２０４の持つ効率を上げたり、直下照度を維持しつつ壁への配光を追加したりするものではなく、現在ある総光量の配分方法を最適化し、その用途を広げることを目的とした。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、効率を落とすことなく、且つ白熱電球様の外管グローブ上の輝度均整度が改善される、つまり光むらを少なくすることができる電球形ＬＥＤ光源を提供する。
【００１５】
また、複数個用いられるＬＥＤ素子の配光角を、各々適宜変更する設計手段が考えられるが、この手法を用いることは工業的に煩雑な工程を生み、総使用ＬＥＤ素子数は同じでも、複数の種類に分かれてしまうため、量産性が落ちコストは上昇し、部材準備のリードタイムが延びるため、この手法は用いないことを前提とした。
【００１６】
また更に、配光角を変えずに、各ＬＥＤ素子の光軸を変化させることも手法として考えられ、弊社ではＰＡＲＡＴＨＯＭ ＣＬＡＳＳＩＣ Ａとして商品化しているが、一枚の基板面に直接ＬＥＤを設置できないというやはり工業的観点からは課題のある手法であったため、検討からは外した。
【００１７】
従って、本課題を解決する際、用いる設計手法はＬＥＤ素子の配光角は全て同一とし煩雑な識別や使い分けが不要、かつＬＥＤ素子は基板上に同一照射方向に設置され、光軸は全て基板面に垂直な方向のみである設計に限定した。
【００１８】
ここで設計は望ましくは下半球に一様な配光を持ち、更には上半球にも同様な配光をもつべきだが、現実的にはまだこのような要望を満足できるＬＥＤ素子が無く、我々は下半球にできるだけ一様な配光かつ、やはり直下照度にもある程度配分を持った設計をすることとした。
【００１９】
また外管グローブの直線透過率は約９０％のものとした。しかしこの透過率は本発明とは本質的に独立な事象であり、９０％に本発明の効果が限定されるものではない。
【００２０】
ＬＥＤ素子の配光角とは、図８に示した様に、中心軸の光量を１００％としたとき、中心軸からある角度を持ってＬＥＤ発光中心を見込んだ際、光量が中心軸線上に比べ５０％まで低下するまでの中心軸からの２次元的角度である。即ち、中心軸を中心に両側に各々５０％まで低下する中心軸を中心とする角度である。従って、実際はこのエリアの外側にも少ないながら光は照射されているが、設計検証を明確にするためここではＬＥＤ素子の配光角の内側のエリアを配光エリアと定義することとした。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を光源とし、電球形状の外観を有し、且つ電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源であって、Ｅ或いはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブを有する電球形ＬＥＤ光源において、
ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を外管グローブ内に略平面状の基板同一面に配置され、
各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、かつ配光角の中心軸は略平面状の基板面に垂直とし、
各々のＬＥＤ素子が外管グローブ内面に光を照射する配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、
重なりはｎ重の配光エリアをランプ中心軸上にある外管バルブ内面上を含む一部に有し、且つｎ重の配光エリアが外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする電球形ＬＥＤ光源。
【００２２】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、何れのＬＥＤ素子の配光エリアからも外れるエリアが、外管グローブ内面の３０％未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
この発明に係る電球形ＬＥＤ光源は、上記構成により、効率を落とすことなく、且つ外管グローブ上の輝度均整度が改善される、つまり光むらを少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１を示す図で、電球形ＬＥＤ光源１００の側面図（ａ）と正面図（ｂ）。
【図２】実施の形態１を示す図で、電球形ＬＥＤ光源の配光特性を示す図。
【図３】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝３の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図４】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝４の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図５】実施の形態１を示す図で、ＬＥＤ素子数ｎ＝５の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図。
【図６】比較例１〜７、及び実施例１〜４の設計パラメータと評価結果を示す図。
【図７】従来のＬＥＤ電球２００を示す断面図。
【図８】ＬＥＤ素子の配光角を定義する図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
実施の形態１．
図１乃至図６は実施の形態１を示す図で、図１は電球形ＬＥＤ光源１００の側面図（ａ）と正面図（ｂ）、図２は電球形ＬＥＤ光源の配光特性を示す図、図３はＬＥＤ素子数ｎ＝３の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図４はＬＥＤ素子数ｎ＝４の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図５はＬＥＤ素子数ｎ＝５の場合のときの外管グローブにおける配光エリアを示す略図、図６は比較例１〜７、及び実施例１〜４の設計パラメータと評価結果を示す図である。
【００２６】
図１に示すように、電球形ＬＥＤ光源１００は、一端に口金１が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がる金属性の放熱部品２が設けられている。放熱部品２と、この放熱部品２の開口部に取付けられ内面に光拡散層６を有する外管グローブ５と、放熱部品２と外管グローブ５により形成された略球体７の内部に設けられた基板３と、この基板３の外管グローブ５に対向する外面に実装されたＬＥＤ素子４と、を備える。
【００２７】
本実施の形態における電球形ＬＥＤ光源１００は、以下に示す特徴を有する。
（１）ＬＥＤ素子４（発光ダイオード）を光源とする。
（２）電球形状の外観を有する（図１参照）。
（３）電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔＲａｄ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源である。
（４）ＪＩＳ Ｃ７７０９−１に規定されたＥ２６口金、もしくはＥ１７口金などのＥ口金、もしくはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブ５を有する電球形ＬＥＤ光源１００である。
（５）ＬＥＤ素子４が、少なくともｎ（４以上の自然数）個外管グローブ５内の基板３に平面状に配置される。
（６）各々のＬＥＤ素子４は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光特性（配光角）を有する（配光角については、図２、図８を参照）。尚、１２０°以上のＬＥＤ素子４は配光角が広く、外管グローブ５を用いる光源としては照射角が広すぎ、そもそも輝度むらが発生するという課題が重要とはならない反面、外管グローブ５でのロスが大きく、光源としての効率が低く、直下照度も高くしづらい。
（７）各々のＬＥＤ素子４が外管グローブ５内面に配光する配光エリアが重なるようにする。
（８）重なりはｎ重の配光エリアを一部に有し、且つｎ重に重なる配光エリアが外管グローブ５内面の１０％以上である。
（９）いずれのＬＥＤ素子４の配光エリアからも外れる（以下０重という）エリアが外管グローブ５内面の３０％未満である。
【００２８】
従来のＬＥＤ電球２００において、外管グローブ２０５に輝度むらが発生する原因を調査すると、以下の二つの理由で輝度むらが発生していることが判明した。
（１）ある固有のＬＥＤ素子２０４から放射された光が固有の配光角をもって照射されるが、各ＬＥＤ素子２０４から照射範囲内にある外管グローブ２０５内面までの距離が異なる。
（２）複数個のＬＥＤ素子２０４から照射された光が重畳するエリアと重畳しないエリアが存在する。
【００２９】
発明者等の一連の調査の結果、前者（１）は、後者（２）に比べ光むらに対する影響が比較的小さいことが判明した。
【００３０】
また一連の検討により、配光の重なりが点対称になるとむらは比較的気にならないことが判明した。
【００３１】
発明者等は、外管グローブ５の輝度均整度を改善するため、後者（２）の検討を行った。その結果を図６に示す。尚、図６における比較例１（１）〜比較例６（６）、実施例（７）〜（９）は、図３〜図４の（１）〜（９）、実施例（１１）は、図５の（１１）に対応している。図６の比較例７（１０）については、対応する外管グローブ５における配光エリアを示す略図は省略している。図４における（６）の、比較例６（６）の配光エリアを示す略図では、同心円の位置に配置されるＬＥＤ素子４を中心に寄せている。
【００３２】
ｎ個のＬＥＤ素子４から放射された光は、最大ｎ重の配光エリアを生む。これにはＬＥＤ素子４の配置及び配光角の選定によっては最大でもｎ重未満の重複しか発生しない場合も存在する。ここでは、ＬＥＤ素子４と外管グローブ５内面までの距離は、極めて限られた範囲しかとれず、大きな差を生む要因にはなり得ないため、ＬＥＤ素子４から照射される外管グローブ５内面までの距離の差よりも、何重の配光エリアにあるかで輝度は支配される傾向にあった。
【００３３】
また外管グローブ５の中心から徐々に周辺部に向かって輝度が低下してゆく場合は輝度むらとして認識されにくく、つまり輝度のグラディエーションの割には不快さは感じられなかった。そこで調査において輝度均整度に関しては、一つの光源の外管グローブ５上の輝度を多数測定し、そのバラツキを数値的に把握するのではなく、実際光源を見た際に感じる輝度むらに関する官能評価とし、被験者が不快と感じる場合を×、若干不快を感じる場合を△、問題が無い場合を○として評価し。○の領域を市場満足レベルとして設計基準とした。
【００３４】
従って、輝度均整度を上げるためには、ＬＥＤ素子４の配光角の大きいものを選定し、ＬＥＤ素子４の数ｎを多くし、基板３上に基板３の中心及び／または中心に対し同心円上に配置し、０重のエリアを狭めることが重要である。一方直下照度を上げるにはｎ重となる配光エリアをランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）軸線上に設けることが重要となる。ランプ全体の発光効率を上げるためにはＬＥＤ素子４の配光角をできるだけ狭いものを使うことが重要である。
【００３５】
このお互い矛盾する命題をバランスさせて顧客満足を実現するには、ＬＥＤ素子４の数ｎ（ｎは自然数）は少なくとも４以上が望ましい。図３に示すように、ＬＥＤ素子４の数ｎが３では、極めて配光角の広いＬＥＤ素子４が必要となり、外管グローブ５内のロスが増えランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）全体の発光効率が満足できない。
【００３６】
また、ＬＥＤ素子４の数ｎ＝３の場合、輝度均整度と点対称を設計に盛込むと図３の様な配置となり、中央部の重複が困難で、直下照度が高くできないことが判明した。従ってｎは４以上が望ましい。比較例で上げたｎ＝３の９０°の例は中央にｎ＝３重の配光エリアが発生するが、輝度均整度と満足のいく直下照度の両立ができなかった。
【００３７】
照射角が広いとｎ重の配光エリアは作りやすくなるが、反面外管グローブ５外に照射するロスが増加するため、配光角（図２のθ１）は１２０°以下が望ましい。また照射角が狭すぎるとｎ重のエリアが発生しにくくなるため、配光角は６０°以上が望ましい。
【００３８】
直下照度を上げることも重要な設計要因であり、少なくともランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）中心線上の外管グローブ５にはｎ重の配光エリアが存在すべきである。
【００３９】
また、外管グローブ５上のｎ重の配光エリアは、全体の１０％以上を占めなければ実質的に満足な直下照度は得られない。一方同心円の位置にＬＥＤ素子４を配置すれば目視したところ輝度むらは感じづらくなる。
【００４０】
ＬＥＤ素子４は、全て１素子当り１Ｗ定格消費電力で１００ｌｍを出力する、青色ＬＥＤに黄色発光蛍光体を組合せた一般的な白色ＬＥＤ素子を用いた。そして、配光角のみ３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°と５種類の配光角が異なるタイプを準備し、図１に示す直径５５ｍｍのプリント基板３上に中央に１素子、かつ場合によってはその周囲に点対称となる位置に、基板３中央から同心円状に複数個のＬＥＤ素子４を配置し、Ｅ２６口金タイプの電球形ＬＥＤランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）を試作し、比較評価を行った。
【００４１】
特に説明はしていないが、基板３の温度が上昇するため、基板３より口金１側に十分な放熱媒体が設けてある。また試作ランプには、全て図１に示した外管グローブ５の内面にシリカ微粉末をコーティングした直線透過率が９０％の直径６０ｍｍのガラス製白色の外管グローブ５を全てに用いた。
【００４２】
０重エリアをパラメータとして比較するため、前記同心円の半径で０重エリアの割合を変化させ、試作品を作成した。ＬＥＤ素子４の素子数ｎが異なるが、全て定格点灯させた。また当然ＬＥＤ素子４の素子数ｎが多ければ、完成ランプ自体の全光束は大きくなる。しかし、本実験では全光束を統一するのではなく、ＬＥＤ素子４の素子数ｎで規格化（つまりＷで割戻し相対評価）した。従って１素子の場合は１Ｗ（但し電源ロスは計算から外した）、５素子の場合は５Ｗの電力がＬＥＤ素子４に入力されている。
【００４３】
効率を比較するため、用いたＬＥＤ素子４の素子数をｎとし、外管透過率０．９のときの理論効率（単位ｌｍ／Ｗ）：定格出力１００（ｌｍ／素子）×ｎ（素子）／ｎ（Ｗ）×０．９（外管透過率）を１００％とし、試作ランプの全光束値を積分球にて測定し相対値で示した。
【００４４】
効率は当然高い方が望ましく、我々は９０％以上を良好と考えた。また外管グローブ５上の輝度のむらを輝度均整度と呼ぶが、これは輝度がいたるところで均一な方が望ましいが、蛍光ランプを光源に持つ電球形蛍光ランプとは異なり、高輝度な極小光源でかつ配光角があるため、現実的には外管グローブ５上で均一な輝度にはなり得ない。これをいかに均整にするかでユーザーの満足感が変る。
【００４５】
また、直下照度に関しては試作ランプをベースアップで点灯し、ランプ直下１ｍの照度を照度計で測定し、各々測定照度をランプ総ワット数で割った値とした。つまり、４個のＬＥＤ素子４を使用した４Ｗの直下照度が５２ｌｘであれば、直下照度＝５２／４＝１３（ｌｘ／Ｗ）とした。直下照度は１０（ｌｘ／Ｗ）以上が一般に満足できる値である。これは当然同じ設計であればランプの総消費電力に概ね比例して大きくなり、必要な直下照度をユーザーが得るためには電球形ＬＥＤランプ（電球形ＬＥＤ光源１００）のワット数を調整するか、或いは使用灯数を調整するかになる。
【００４６】
実施例は、基板５の中央に１粒のＬＥＤ素子４を配置したが、これは必ずしも中央に配置する必要は無い。また外管グローブ５の透過率は９０％に限られないし、材質もガラス製以外の樹脂製であってもかまわない。ＬＥＤ素子４の配置は、比較を主旨としたため同心円状とした。
【符号の説明】
【００４７】
１ 口金、２ カバー、３ 基板、４ ＬＥＤ素子、５ 外管グローブ、６ 光拡散層、７ 略球体、１００ 電球形ＬＥＤ光源、２００ 電球形ＬＥＤ光源、２０１ 口金、２０２ カバー、２０３ 基板、２０４ ＬＥＤ素子、２０５ 外管グローブ、２０６ 光拡散層、２０７ 略球体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を光源とし、電球形状の外観を有し、且つ電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源であって、Ｅ或いはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブを有する電球形ＬＥＤ光源において、
前記ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を前記外管グローブ内に略平面状の基板同一面に配置され、
各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、かつ前記配光角の中心軸は前記略平面状の基板面に垂直とし、
各々のＬＥＤ素子が前記外管グローブ内面に光を照射する前記配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、
前記重なりはｎ重の前記配光エリアをランプ中心軸上にある前記外管バルブ内面上を含む一部に有し、且つｎ重の前記配光エリアが前記外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする電球形ＬＥＤ光源。
【請求項２】
何れの前記ＬＥＤ素子の配光エリアからも外れる前記エリアが、前記外管グローブ内面の３０％未満であることを特徴とする請求項１記載の電球形ＬＥＤ光源。
【請求項１】
ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を光源とし、電球形状の外観を有し、且つ電球のように広い配光分布を持たず、凡そ２πＳｔ（ステラジアン）の範囲に投光する商用電源で点灯可能な点灯回路内蔵型の光源であって、Ｅ或いはＢ口金を有する白熱電球代替の光源であり、更にはＬＥＤ光源の前面に白熱電球を模した外管グローブを有する電球形ＬＥＤ光源において、
前記ＬＥＤ素子が少なくともｎ（４以上の自然数）個の素子を前記外管グローブ内に略平面状の基板同一面に配置され、
各々のＬＥＤ素子は少なくとも６０°以上１２０°以下の配光角を有し、かつ前記配光角の中心軸は前記略平面状の基板面に垂直とし、
各々のＬＥＤ素子が前記外管グローブ内面に光を照射する前記配光角の内側の配光エリアが重なるようにするとともに、
前記重なりはｎ重の前記配光エリアをランプ中心軸上にある前記外管バルブ内面上を含む一部に有し、且つｎ重の前記配光エリアが前記外管グローブ内面の１０％以上８０％以下であることを特徴とする電球形ＬＥＤ光源。
【請求項２】
何れの前記ＬＥＤ素子の配光エリアからも外れる前記エリアが、前記外管グローブ内面の３０％未満であることを特徴とする請求項１記載の電球形ＬＥＤ光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２４１２４（Ｐ２０１２−１２４１２４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７６０８３（Ｐ２０１０−２７６０８３）
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（５９１０１５６２５）オスラム・メルコ株式会社 (123)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１０日（２０１０．１２．１０）
【出願人】（５９１０１５６２５）オスラム・メルコ株式会社 (123)
【Ｆターム（参考）】
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