ＬＥＤ発光装置
【課題】従来のミニクリプトン電球に替えて使用しても、ユーザに違和感を与えにくいＬＥＤ発光装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ発光装置１０を、面発光型のＬＥＤ１２と、ＬＥＤ１２からの光を底面１４ａから受け入れる透明中実円錐状のレンズ１４と、ベース１８と、給電手段２０とで構成し、レンズ１４の高さＨと底面１４ａの直径ＤLENSとが、「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たすように設定することにより、上記課題を解決することができる。
【解決手段】ＬＥＤ発光装置１０を、面発光型のＬＥＤ１２と、ＬＥＤ１２からの光を底面１４ａから受け入れる透明中実円錐状のレンズ１４と、ベース１８と、給電手段２０とで構成し、レンズ１４の高さＨと底面１４ａの直径ＤLENSとが、「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たすように設定することにより、上記課題を解決することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般照明等の用途に広く使用されているミニクリプトン電球の代替品として使用した際にユーザに違和感を与えることのないＬＥＤ発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の白熱電球に比べて消費電力が低く、かつ、長寿命といった長所を有する発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっており、とりわけ白熱灯の代替としてＬＥＤが組み込まれたＬＥＤ発光装置を使用したいという要望が高まっている。
【０００３】
このような要望は、クリプトンガスを封入することによってランプ効率を向上させたミニクリプトン電球についても同じである。ミニクリプトン電球は、その外形寸法の小ささから、シャンデリアを初めとする一般照明等の用途に広く使用されており、これらミニクリプトン電球をＬＥＤ発光装置で代替えすることによってさらなる省エネ効果が期待されている。
【０００４】
このような期待に応えるため、ＬＥＤから放射された、ランバーシアン型の高い指向性を有する光を拡散させるための光拡散部材を有するＬＥＤ発光装置が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
特許文献１のＬＥＤ発光装置１は、図１０に示すように、ＬＥＤ２と、当該ＬＥＤ２を支持するとともにＬＥＤ２へ電力を供給するための給電部材（図示せず）が内蔵されたＬＥＤ支持体３と、ＬＥＤ２に被せられた略三角錐状の中空体である光拡散部材４と、ランプカバー５とで構成されている。
【０００６】
また、光拡散部材４における外面および内面の少なくとも一方には、拡散面６（例えば、多数の同心円状の突条）が形成されていることにより、ＬＥＤ２から高い指向性をもって放射された光は、当該拡散面６で拡散されつつ光拡散部材４を透過し、然る後、ランプカバー５を透過してＬＥＤ発光装置１から出光する。
【０００７】
このように、特許文献１のＬＥＤ発光装置１によれば、ＬＥＤ２から放射された指向性を有する光を拡散面６で拡散することにより、ランバーシアン型の高い指向性を有する光を拡散させてその配光角を広げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実用新案登録第３１４３４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＬＥＤ発光装置１では、ＬＥＤ２から放射された光をその内面で受けた光拡散部材４の全体が光ることから、当該ＬＥＤ発光装置１は、ミニクリプトン電球の代替品として適当ではなかった。
【００１０】
なぜならば、ミニクリプトン電球の発光位置は、フィラメントが位置する電球中心部（ＬＥＤ発光装置１でいえば、ランプカバー５の中央部）であるのに対して、ＬＥＤ発光装置１の発光位置は、上述したように光拡散部材４の全体、つまり、ランプカバー５におけるＬＥＤ支持体３側端部であり、ミニクリプトン電球に替えてＬＥＤ発光装置１を照明器具に取り付けて使用した場合、この「発光位置の違い」がユーザに違和感を与えることになるからである。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、ミニクリプトン電球に替えて使用しても、発光位置の違いによって、ユーザに違和感を与えにくいＬＥＤ発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載された発明は、
面発光型のＬＥＤ１２と、前記ＬＥＤ１２に対向する底面１４ａで前記ＬＥＤ１２から放射される光を受け入れる透明中実円錐状のレンズ１４と、前記ＬＥＤ１２および前記レンズ１４を保持するベース１８と、前記ＬＥＤ１２に給電するための給電手段２０とを備えており、
前記レンズ１４の高さＨと前記底面１４ａの直径ＤLENSとは、式１を満たしていることを特徴とするＬＥＤ発光装置１０である。
０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４ …式１
【００１３】
本発明のＬＥＤ発光装置１０では、レンズの高さＨと底面の直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」（式１）の関係を満たしている（図３参照）。
【００１４】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、給電手段２０によって給電されたＬＥＤ１２の発光面１２ａから放射され、円錐状のレンズ１４の底面１４ａから当該レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射することから、外部からレンズ１４を見たとき、光が内面全反射する底面側端部の側面１４ｂはほとんど光らず、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見える。
【００１５】
この理由について説明すると、面発光型のＬＥＤ１２は、図４に示すようなランバーシアン型の配光パターンを有している。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００１６】
このような特性を有するＬＥＤ１２から放射された光は、図５に示すように、底面１４ａからレンズ１４内に入射する際、スネルの法則(Snell's Law)に従って屈折する。レンズ１４の材質がポリカーボネート（屈折率＝１．５８）である場合、ＬＥＤ１２から放射された、光軸と成す角度θ１が３０°の光は、空気（屈折率＝１）中を通って底面１４ａで屈折され、θ２＝１８．４５°でレンズ１４内に入る。
【００１７】
Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合（図５（ａ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３は、６０．９°となる。これにより、レンズ１４内に入った光は入射角θ４＝約４２．５°で最初にレンズ１４の側面１４ｂに到達する。ここで、ポリカーボネート製レンズ１４の内表面における臨界角θｃ（当該内表面で光が全反射するか、あるいは屈折透過するかの境目となる角度）は、約４０°である。したがって、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００１８】
一方、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合（図５（ｂ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３’は、７６．８°となり、レンズ１４内に入った光は入射角θ４’＝約５８．４°で最初にレンズ１４の側面に到達する（なお、θ１およびθ２は、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合と同じである。）。したがって、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合も、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４’の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００１９】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、当該レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射する（＝外部から見たとき、全反射領域は光っているように見えない）ことから、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見えるのである。
【００２０】
ところで、図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ）には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の遠視野パターン(Far-field patterns)を示す。各グラフにおけるＸ軸の中央は光軸ＣＬにおける照度に対応しており、中央から離間する程、光軸ＣＬから離れた位置における照度を示している。
【００２１】
Ｈ／ＤLENSの値が比較的小さい場合には、ＬＥＤ発光装置１０の光軸ＣＬを中心とするピークが１つ形成されている。そして、Ｈ／ＤLENSの値が大きくなるにつれて、当該中心部のピークの値が低下していくとともに、光軸ＣＬと成す角度が比較的大きな周辺光の値が増加していく。
【００２２】
また、図８には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角［°］（左側軸）および均斉度［無次元］（右側軸）を示す。ここで、「均斉度」とは、遠視野パターン（図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ））における照度の最小値（＝谷部の値）を最大値（＝ピーク値）で除した値をいい、当該値が１に近づくほど最大値と最小値との乖離が小さくなる（＝均斉度が高くなる）。
【００２３】
ここで、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０よりも小さい場合、「均斉度」は、許容下限値である０．２を下回ってしまう。また、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４よりも大きくなると、図７（ｏ）に示すように、光軸ＣＬ近傍の光強度がほぼゼロになってしまい（つまり、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の断面形状がドーナツ形となってしまい）、ミニクリプトン電球の代替用発光装置に求められる汎用性が著しく乏しくなる。
【００２４】
請求項２に記載した発明は、請求項１のＬＥＤ発光装置１０に関し、「前記直径ＤLENSと、前記ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、前記底面１４ａおよび前記発光面１２ａ間の距離ｙと、前記底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて前記底面１４ａの周縁点Ａと前記発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および前記発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとは、更に下記式２を満たしている」ことを特徴とする。
ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°） …式２
【００２５】
本発明のＬＥＤ発光装置１０では、上記（式１）の関係に加えて、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ１４の底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」（式２）の関係を満たしていることから、上述のように、ランバーシアン型配光パターンで放射されるＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が４５°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも７０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することになり、光の利用効率を高く維持することができる。
【００２６】
なお、ＬＥＤ１２の発光面１２ａが円盤状である場合には、その円盤の半径が半径ＲLEDとなる。また、発光面１２ａが矩形である場合には、当該矩形の中心から各辺までの距離のうち最も短いものを半径ＲLEDとする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ＬＥＤから放射された光の大部分はレンズの内側表面で少なくとも１回内面全反射し、外部からレンズを見たとき、レンズにおける底面側端部はほとんど光らず、先端部側のみが光っているように見えることから、ミニクリプトン電球に替えて使用してもユーザに違和感を与えにくいとともに、レンズから放射する光の均斉度が高いＬＥＤ発光装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかるＬＥＤ発光装置を示す断面図である。
【図２】本発明にかかるＬＥＤ発光装置を示す斜視図である。
【図３】レンズの底面の中心を含む平面において、ＬＥＤの寸法とレンズの寸法との関係を説明する図である。
【図４】面発光型ＬＥＤの配光パターンを示すグラフである。
【図５】レンズ内における光の入射角度等を説明する図である。
【図６】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置から放射される光の遠視野パターンを示すグラフである。
【図７】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置から放射される光の遠視野パターンを示すグラフである。
【図８】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角および均斉度を示すグラフである。
【図９】Ｈ／ＤLENSの値と、ＬＥＤから放射される光の利用効率との関係を示すグラフである。
【図１０】従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明が適用されたＬＥＤ発光装置１０について、図面を用いて説明する。図１および図２に示すように、ＬＥＤ発光装置１０は、大略、面発光型のＬＥＤ１２と、レンズ１４と、必要に応じて設けられるカバー１６と、ベース１８と、口金１９と、給電手段２０とで構成されている。
【００３０】
ＬＥＤ１２は、所定の電圧が印加されることによって光を放射する半導体素子であり、ベース１８の図中上面に実装保持されている。ＬＥＤ１２は、円盤状（もちろん、矩形であってもよい）の発光面１２ａで発光するタイプのものであり、その配光パターンは、図４に示すような、いわゆるランバーシアン型である。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）とその近傍にほとんどの光が集まっているのが特徴であり、当該光軸と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００３１】
レンズ１４は、ＬＥＤ１２から放射される光を受け入れる底面１４ａを有する透明中実体であり、略円錐状のレンズ本体１４ｃの底面１４ａをＬＥＤ１２に対向させて（より厳密には、底面１４ａとＬＥＤ１２の発光面とを互いに平行にして）ベース１８の図中上面に取り付けられている。
【００３２】
ここで、本発明のＬＥＤ発光装置１０では、図３に示すように、レンズ本体１４ｃの高さＨと底面１４ａの直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たしており、かつ、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ本体１４ｃの底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たすように各寸法が設定されている（これら寸法に基づく作用効果については後述する）。
【００３３】
なお、ＬＥＤ１２の発光面１２ａが円盤状である場合には、その円盤の半径が半径ＲLEDとなる。また、発光面１２ａが矩形である場合には、当該矩形の中心から各辺までの距離のうち最も短いものを半径ＲLEDとする。
【００３４】
また、レンズ１４の底側端部周縁には、底面１４ａと平行に延出するフランジ部１４ｄが形成されており（なお、フランジ部１４ｄの底面は、レンズ１４の底面１４ａと面一になっているが、この場合であっても、上記直径ＤLENSは、レンズ本体１４ｃの底面１４ａの直径を意味しており、フランジ部１４ｄを含めた直径ではない。）、また、レンズ１４をベース１８の上面に当接固定するための脚部１４ｅが底面１４ａから図中下向きに突設されている。
【００３５】
もちろん、レンズ１４において、フランジ部１４ｄおよび脚部１４ｅは、必須の構成要素ではなく、円錐状のレンズ本体１４ｃのみでレンズ１４を構成してもよい。
【００３６】
カバー１６は、必要に応じて設けられる部材であり、本実施例では、透明ガラスで形成された中空の略球状体がＬＥＤ１２およびレンズ１４を内包するようにして、ベース１８の上面に配設されている。なお、カバー１６の形状は球状に限られず、砲弾型のような曲面体であってもよいし、複数の曲面あるいは平面を組み合わせて構成してもよい。また、材質についても透明ガラスに限られず、その他の透明体で構成してもよいし、透明体に代えて透光性を有する材料を用いることもできる。
【００３７】
なお、「透光性を有する」とは、光を透過する性質を有しているものの、透過する光が拡散するためにその材料の向こう側の形状等を確認することができないものをいう。透光性を有する材料でカバー１６を構成した場合、カバー１６を通過する際に拡散された光の一部がベース１８の方向（ＬＥＤ１２の光放射方向とは逆の方向）にも進むようになるので、フィラメントランプ（ミニクリプトン電球）から放射される指向性の低い光にさらに近くなり、ユーザに与える違和感をさらに小さくすることができる。
【００３８】
ベース１８は、ＬＥＤ１２、レンズ１４、およびカバー１６を保持するとともに、外部からの電力をＬＥＤ１２に供給する給電手段２０をその内部に収容する部材であり、上部ベース２２と、下部ベース２４とで構成されている。
【００３９】
上部ベース２２は、金属（例えば、アルミニウム）やセラミック等の熱伝導および放熱に優れた材料で形成された有蓋円筒状体（もちろん、角筒状であってもよい。）であり、その天面２２ａには、ＬＥＤ１２やカバー１６を取り付けるための溝２２ｂが形成されているとともに、その蓋部２２ｃには、上部ベース２２の内部空間２２ｄと天面２２ａ側とを連通する連通孔２６が設けられている。
【００４０】
下部ベース２４は、上部ベース２２と同様に、セラミック等の絶縁体で形成されており、太径部２４ａと細径部２４ｂとその間のテーパ部２４ｃとで構成された異径柱状体である。また、太径部２４ａの外径は、上部ベース２２の内径よりもやや小さく形成されており、当該太径部２４ａのほとんどが上部ベース２２の底部に挿設固定されている（なお、本実施例では、上部ベース２２と下部ベース２４とはビス２８で固定されているが、これに代えて接着剤等で固定してもよい。）。一方、細径部２４ｂの外周面には、口金１９に螺入させるためのネジが形成されている。さらに、下部ベース２４には、太径部２４ａの上面からテーパ部２４ｃ内を経由して細径部２４ｂの下面および側面に至る連通孔３０が形成されており、後述するように、給電手段２０の大部分が当該連通孔３０に配設されている。
【００４１】
口金１９は、照明器具等のソケット（図示せず）に螺入される有底筒状体であり、ネジが形成された導電材料（例えば金属）製の側面部１９ａと、底面から突設する導電材料製突設部１９ｂと、側面部１９ａおよび突設部１９ｂ間を電気的に絶縁する絶縁材料製の絶縁部１９ｃとで構成されている。
【００４２】
給電手段２０は、口金１９に供給された電力をＬＥＤ１２に供給するためのものであり、口金１９に印加された電圧をＬＥＤ１２の駆動電圧まで変圧するとともに、ＬＥＤ１２に対して過剰な電流が流れるのを防止する駆動回路２０ａと、口金１９および駆動回路２０ａ間を導通させる一対の入力側リード線２０ｂと、駆動回路２０ａおよびＬＥＤ１２間を導通させる一対の出力側リード線２０ｃとで構成されている。また、駆動回路２０ａは、下部ベース２４の連通孔３０における図中上端側に広く形成された部分に配設されており、入力側リード線２０ｂは、当該連通孔３０の図中下端側に配設されており、出力側リード線２０ｃは、上部ベース２２の蓋部２２ｃに形成された連通孔２６に挿通されている。
【００４３】
このＬＥＤ発光装置１０は、一例を示せば以下の手順で製造される。上部ベース２２の図中上表面にＬＥＤ１２を実装し、当該ＬＥＤ１２に被せるようにレンズ１４およびカバー１６をこの順で接着剤等によって取り付け、給電手段２０を内包するようにして上部ベース２２の下端に下部ベース２４を挿設してビス２８で固定し、然る後、下部ベース２４の下端部に口金１９を取り付ける。
【００４４】
本実施例のＬＥＤ発光装置１０では、上述のように、レンズ本体１４ｃの高さＨと底面の直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たしており、かつ、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ本体１４ｃの底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たしている（図３参照）。
【００４５】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、給電手段２０によって給電されたＬＥＤ１２の発光面１２ａから放射され、円錐状のレンズ１４の底面１４ａから当該レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射することから、外部からレンズ１４を見たとき、光が内面全反射する底面側端部の側面１４ｂはほとんど光らず、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見える。
【００４６】
この理由について説明すると、面発光型のＬＥＤ１２は、図４に示すようなランバーシアン型の配光パターンを有している。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００４７】
このような特性を有するＬＥＤ１２から放射された光は、図５に示すように、底面１４ａからレンズ１４内に入射する際、スネルの法則(Snell's Law)に従って屈折する。レンズ１４の材質がポリカーボネート（屈折率＝１．５８）である場合、ＬＥＤ１２から放射された、光軸と成す角度θ１が３０°の光は、空気（屈折率＝１）中を通って底面１４ａで屈折され、θ２＝１８．４５°でレンズ１４内に入る。
【００４８】
Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合（図５（ａ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３は、６０．９°となる。これにより、レンズ１４内に入った光は入射角θ４＝約４２．５°で最初にレンズ１４の側面１４ｂに到達する。ここで、ポリカーボネート製レンズ１４の内表面における臨界角θｃ（当該内表面で光が全反射するか、あるいは屈折透過するかの境目となる角度）は、約４０°である。したがって、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００４９】
一方、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合（図５（ｂ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３’は、７６．８°となり、レンズ１４内に入った光は入射角θ４’＝約５８．４°で最初にレンズ１４の側面に到達する（なお、θ１およびθ２は、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合と同じである。）。したがって、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合も、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４’の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００５０】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、当該レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射する（＝外部から見たとき、全反射領域は光っているように見えない）ことから、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見えるのである。
【００５１】
ところで、図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ）には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の遠視野パターン(Far-field patterns)を示す。各グラフにおけるＸ軸の中央は光軸ＣＬにおける照度に対応しており、中央から離間する程、光軸ＣＬから離れた位置における照度を示している。
【００５２】
Ｈ／ＤLENSの値が比較的小さい場合には、ＬＥＤ発光装置１０の光軸ＣＬを中心とするピークが１つ形成されている。そして、Ｈ／ＤLENSの値が大きくなるにつれて、当該中心部のピークの値が低下していくとともに、光軸ＣＬと成す角度が比較的大きな周辺光の値が増加していく。
【００５３】
また、図８には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角［°］（左側軸）および均斉度［無次元］（右側軸）を示す。ここで、「均斉度」とは、遠視野パターン（図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ））における照度の最小値（＝谷部の値）を最大値（＝ピーク値）で除した値をいい、当該値が１に近づくほど最大値と最小値との乖離が小さくなる（＝均斉度が高くなる）。
【００５４】
ここで、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０よりも小さい場合、「均斉度」は、許容下限値である０．２を下回ってしまう。また、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４よりも大きくなると、図７（ｏ）に示すように、光軸ＣＬ近傍の光強度がほぼゼロになってしまい（つまり、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の断面形状がドーナツ形となってしまい）、ミニクリプトン電球の代替用発光装置に求められる汎用性が著しく乏しくなる。
【００５５】
また、Ｈ／ＤLENSの値は、ＬＥＤ１２から放射される光の利用効率にも影響を与えるものであり、図９のグラフに示すように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、２．１４以下であれば、光の利用効率は９０％以上を維持することができる。
【００５６】
加えて、本実施例のＬＥＤ発光装置１０では、直径ＤLENSとＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDとレンズ１４の底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たしていることから、上述のように、ランバーシアン型配光パターンで放射されるＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が４５°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも７０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することになり、光の利用効率を高く維持することができる。さらに言えば、θ≧６０°に設定するのがより好適である。これによれば、ＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が６０°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも９０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することができるからである。
【００５７】
このように、本実施例のＬＥＤ発光装置１０によれば、ＬＥＤ１２から放射された光の大部分がレンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射し、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４における底面側端部はほとんど光らず、先端部側のみが光っているように見えることから、ミニクリプトン電球に替えて使用してもユーザに違和感を与えることがないとともに、レンズ１４から放射する光の均斉度が高く、かつ、ＬＥＤ１２から放射された光の利用効率が高いＬＥＤ発光装置１０を提供することができた。
【符号の説明】
【００５８】
１０…ＬＥＤ発光装置
１２…ＬＥＤ
１２ａ…発光面
１４…レンズ
１４ａ…底面
１４ｂ…側面
１４ｃ…レンズ本体
１４ｄ…フランジ部
１４ｅ…脚部
１４ｆ…母線
１６…カバー
１８…ベース
１９…口金
１９ａ…側面部
１９ｂ…突設部
１９ｃ…絶縁部
２０…給電手段
２０ａ…駆動回路
２０ｂ…入力側リード線
２０ｃ…出力側リード線
２２…上部ベース
２２ａ…天面
２２ｂ…溝
２２ｃ…蓋部
２２ｄ…内部空間
２４…下部ベース
２４ａ…太径部
２４ｂ…細径部
２４ｃ…テーパ部
２６…連通孔
２８…ビス
３０…連通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般照明等の用途に広く使用されているミニクリプトン電球の代替品として使用した際にユーザに違和感を与えることのないＬＥＤ発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の白熱電球に比べて消費電力が低く、かつ、長寿命といった長所を有する発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、需要者のエコロジー意識の高まりとともに、省エネ対策のひとつとしてその使用範囲が急速に広まっており、とりわけ白熱灯の代替としてＬＥＤが組み込まれたＬＥＤ発光装置を使用したいという要望が高まっている。
【０００３】
このような要望は、クリプトンガスを封入することによってランプ効率を向上させたミニクリプトン電球についても同じである。ミニクリプトン電球は、その外形寸法の小ささから、シャンデリアを初めとする一般照明等の用途に広く使用されており、これらミニクリプトン電球をＬＥＤ発光装置で代替えすることによってさらなる省エネ効果が期待されている。
【０００４】
このような期待に応えるため、ＬＥＤから放射された、ランバーシアン型の高い指向性を有する光を拡散させるための光拡散部材を有するＬＥＤ発光装置が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
特許文献１のＬＥＤ発光装置１は、図１０に示すように、ＬＥＤ２と、当該ＬＥＤ２を支持するとともにＬＥＤ２へ電力を供給するための給電部材（図示せず）が内蔵されたＬＥＤ支持体３と、ＬＥＤ２に被せられた略三角錐状の中空体である光拡散部材４と、ランプカバー５とで構成されている。
【０００６】
また、光拡散部材４における外面および内面の少なくとも一方には、拡散面６（例えば、多数の同心円状の突条）が形成されていることにより、ＬＥＤ２から高い指向性をもって放射された光は、当該拡散面６で拡散されつつ光拡散部材４を透過し、然る後、ランプカバー５を透過してＬＥＤ発光装置１から出光する。
【０００７】
このように、特許文献１のＬＥＤ発光装置１によれば、ＬＥＤ２から放射された指向性を有する光を拡散面６で拡散することにより、ランバーシアン型の高い指向性を有する光を拡散させてその配光角を広げることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】実用新案登録第３１４３４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ＬＥＤ発光装置１では、ＬＥＤ２から放射された光をその内面で受けた光拡散部材４の全体が光ることから、当該ＬＥＤ発光装置１は、ミニクリプトン電球の代替品として適当ではなかった。
【００１０】
なぜならば、ミニクリプトン電球の発光位置は、フィラメントが位置する電球中心部（ＬＥＤ発光装置１でいえば、ランプカバー５の中央部）であるのに対して、ＬＥＤ発光装置１の発光位置は、上述したように光拡散部材４の全体、つまり、ランプカバー５におけるＬＥＤ支持体３側端部であり、ミニクリプトン電球に替えてＬＥＤ発光装置１を照明器具に取り付けて使用した場合、この「発光位置の違い」がユーザに違和感を与えることになるからである。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みて開発されたものである。それゆえに本発明の主たる課題は、ミニクリプトン電球に替えて使用しても、発光位置の違いによって、ユーザに違和感を与えにくいＬＥＤ発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載された発明は、
面発光型のＬＥＤ１２と、前記ＬＥＤ１２に対向する底面１４ａで前記ＬＥＤ１２から放射される光を受け入れる透明中実円錐状のレンズ１４と、前記ＬＥＤ１２および前記レンズ１４を保持するベース１８と、前記ＬＥＤ１２に給電するための給電手段２０とを備えており、
前記レンズ１４の高さＨと前記底面１４ａの直径ＤLENSとは、式１を満たしていることを特徴とするＬＥＤ発光装置１０である。
０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４ …式１
【００１３】
本発明のＬＥＤ発光装置１０では、レンズの高さＨと底面の直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」（式１）の関係を満たしている（図３参照）。
【００１４】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、給電手段２０によって給電されたＬＥＤ１２の発光面１２ａから放射され、円錐状のレンズ１４の底面１４ａから当該レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射することから、外部からレンズ１４を見たとき、光が内面全反射する底面側端部の側面１４ｂはほとんど光らず、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見える。
【００１５】
この理由について説明すると、面発光型のＬＥＤ１２は、図４に示すようなランバーシアン型の配光パターンを有している。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００１６】
このような特性を有するＬＥＤ１２から放射された光は、図５に示すように、底面１４ａからレンズ１４内に入射する際、スネルの法則(Snell's Law)に従って屈折する。レンズ１４の材質がポリカーボネート（屈折率＝１．５８）である場合、ＬＥＤ１２から放射された、光軸と成す角度θ１が３０°の光は、空気（屈折率＝１）中を通って底面１４ａで屈折され、θ２＝１８．４５°でレンズ１４内に入る。
【００１７】
Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合（図５（ａ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３は、６０．９°となる。これにより、レンズ１４内に入った光は入射角θ４＝約４２．５°で最初にレンズ１４の側面１４ｂに到達する。ここで、ポリカーボネート製レンズ１４の内表面における臨界角θｃ（当該内表面で光が全反射するか、あるいは屈折透過するかの境目となる角度）は、約４０°である。したがって、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００１８】
一方、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合（図５（ｂ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３’は、７６．８°となり、レンズ１４内に入った光は入射角θ４’＝約５８．４°で最初にレンズ１４の側面に到達する（なお、θ１およびθ２は、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合と同じである。）。したがって、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合も、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４’の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００１９】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、当該レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射する（＝外部から見たとき、全反射領域は光っているように見えない）ことから、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見えるのである。
【００２０】
ところで、図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ）には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の遠視野パターン(Far-field patterns)を示す。各グラフにおけるＸ軸の中央は光軸ＣＬにおける照度に対応しており、中央から離間する程、光軸ＣＬから離れた位置における照度を示している。
【００２１】
Ｈ／ＤLENSの値が比較的小さい場合には、ＬＥＤ発光装置１０の光軸ＣＬを中心とするピークが１つ形成されている。そして、Ｈ／ＤLENSの値が大きくなるにつれて、当該中心部のピークの値が低下していくとともに、光軸ＣＬと成す角度が比較的大きな周辺光の値が増加していく。
【００２２】
また、図８には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角［°］（左側軸）および均斉度［無次元］（右側軸）を示す。ここで、「均斉度」とは、遠視野パターン（図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ））における照度の最小値（＝谷部の値）を最大値（＝ピーク値）で除した値をいい、当該値が１に近づくほど最大値と最小値との乖離が小さくなる（＝均斉度が高くなる）。
【００２３】
ここで、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０よりも小さい場合、「均斉度」は、許容下限値である０．２を下回ってしまう。また、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４よりも大きくなると、図７（ｏ）に示すように、光軸ＣＬ近傍の光強度がほぼゼロになってしまい（つまり、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の断面形状がドーナツ形となってしまい）、ミニクリプトン電球の代替用発光装置に求められる汎用性が著しく乏しくなる。
【００２４】
請求項２に記載した発明は、請求項１のＬＥＤ発光装置１０に関し、「前記直径ＤLENSと、前記ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、前記底面１４ａおよび前記発光面１２ａ間の距離ｙと、前記底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて前記底面１４ａの周縁点Ａと前記発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および前記発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとは、更に下記式２を満たしている」ことを特徴とする。
ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°） …式２
【００２５】
本発明のＬＥＤ発光装置１０では、上記（式１）の関係に加えて、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ１４の底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」（式２）の関係を満たしていることから、上述のように、ランバーシアン型配光パターンで放射されるＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が４５°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも７０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することになり、光の利用効率を高く維持することができる。
【００２６】
なお、ＬＥＤ１２の発光面１２ａが円盤状である場合には、その円盤の半径が半径ＲLEDとなる。また、発光面１２ａが矩形である場合には、当該矩形の中心から各辺までの距離のうち最も短いものを半径ＲLEDとする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ＬＥＤから放射された光の大部分はレンズの内側表面で少なくとも１回内面全反射し、外部からレンズを見たとき、レンズにおける底面側端部はほとんど光らず、先端部側のみが光っているように見えることから、ミニクリプトン電球に替えて使用してもユーザに違和感を与えにくいとともに、レンズから放射する光の均斉度が高いＬＥＤ発光装置を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかるＬＥＤ発光装置を示す断面図である。
【図２】本発明にかかるＬＥＤ発光装置を示す斜視図である。
【図３】レンズの底面の中心を含む平面において、ＬＥＤの寸法とレンズの寸法との関係を説明する図である。
【図４】面発光型ＬＥＤの配光パターンを示すグラフである。
【図５】レンズ内における光の入射角度等を説明する図である。
【図６】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置から放射される光の遠視野パターンを示すグラフである。
【図７】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置から放射される光の遠視野パターンを示すグラフである。
【図８】Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角および均斉度を示すグラフである。
【図９】Ｈ／ＤLENSの値と、ＬＥＤから放射される光の利用効率との関係を示すグラフである。
【図１０】従来技術を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明が適用されたＬＥＤ発光装置１０について、図面を用いて説明する。図１および図２に示すように、ＬＥＤ発光装置１０は、大略、面発光型のＬＥＤ１２と、レンズ１４と、必要に応じて設けられるカバー１６と、ベース１８と、口金１９と、給電手段２０とで構成されている。
【００３０】
ＬＥＤ１２は、所定の電圧が印加されることによって光を放射する半導体素子であり、ベース１８の図中上面に実装保持されている。ＬＥＤ１２は、円盤状（もちろん、矩形であってもよい）の発光面１２ａで発光するタイプのものであり、その配光パターンは、図４に示すような、いわゆるランバーシアン型である。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）とその近傍にほとんどの光が集まっているのが特徴であり、当該光軸と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００３１】
レンズ１４は、ＬＥＤ１２から放射される光を受け入れる底面１４ａを有する透明中実体であり、略円錐状のレンズ本体１４ｃの底面１４ａをＬＥＤ１２に対向させて（より厳密には、底面１４ａとＬＥＤ１２の発光面とを互いに平行にして）ベース１８の図中上面に取り付けられている。
【００３２】
ここで、本発明のＬＥＤ発光装置１０では、図３に示すように、レンズ本体１４ｃの高さＨと底面１４ａの直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たしており、かつ、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ本体１４ｃの底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たすように各寸法が設定されている（これら寸法に基づく作用効果については後述する）。
【００３３】
なお、ＬＥＤ１２の発光面１２ａが円盤状である場合には、その円盤の半径が半径ＲLEDとなる。また、発光面１２ａが矩形である場合には、当該矩形の中心から各辺までの距離のうち最も短いものを半径ＲLEDとする。
【００３４】
また、レンズ１４の底側端部周縁には、底面１４ａと平行に延出するフランジ部１４ｄが形成されており（なお、フランジ部１４ｄの底面は、レンズ１４の底面１４ａと面一になっているが、この場合であっても、上記直径ＤLENSは、レンズ本体１４ｃの底面１４ａの直径を意味しており、フランジ部１４ｄを含めた直径ではない。）、また、レンズ１４をベース１８の上面に当接固定するための脚部１４ｅが底面１４ａから図中下向きに突設されている。
【００３５】
もちろん、レンズ１４において、フランジ部１４ｄおよび脚部１４ｅは、必須の構成要素ではなく、円錐状のレンズ本体１４ｃのみでレンズ１４を構成してもよい。
【００３６】
カバー１６は、必要に応じて設けられる部材であり、本実施例では、透明ガラスで形成された中空の略球状体がＬＥＤ１２およびレンズ１４を内包するようにして、ベース１８の上面に配設されている。なお、カバー１６の形状は球状に限られず、砲弾型のような曲面体であってもよいし、複数の曲面あるいは平面を組み合わせて構成してもよい。また、材質についても透明ガラスに限られず、その他の透明体で構成してもよいし、透明体に代えて透光性を有する材料を用いることもできる。
【００３７】
なお、「透光性を有する」とは、光を透過する性質を有しているものの、透過する光が拡散するためにその材料の向こう側の形状等を確認することができないものをいう。透光性を有する材料でカバー１６を構成した場合、カバー１６を通過する際に拡散された光の一部がベース１８の方向（ＬＥＤ１２の光放射方向とは逆の方向）にも進むようになるので、フィラメントランプ（ミニクリプトン電球）から放射される指向性の低い光にさらに近くなり、ユーザに与える違和感をさらに小さくすることができる。
【００３８】
ベース１８は、ＬＥＤ１２、レンズ１４、およびカバー１６を保持するとともに、外部からの電力をＬＥＤ１２に供給する給電手段２０をその内部に収容する部材であり、上部ベース２２と、下部ベース２４とで構成されている。
【００３９】
上部ベース２２は、金属（例えば、アルミニウム）やセラミック等の熱伝導および放熱に優れた材料で形成された有蓋円筒状体（もちろん、角筒状であってもよい。）であり、その天面２２ａには、ＬＥＤ１２やカバー１６を取り付けるための溝２２ｂが形成されているとともに、その蓋部２２ｃには、上部ベース２２の内部空間２２ｄと天面２２ａ側とを連通する連通孔２６が設けられている。
【００４０】
下部ベース２４は、上部ベース２２と同様に、セラミック等の絶縁体で形成されており、太径部２４ａと細径部２４ｂとその間のテーパ部２４ｃとで構成された異径柱状体である。また、太径部２４ａの外径は、上部ベース２２の内径よりもやや小さく形成されており、当該太径部２４ａのほとんどが上部ベース２２の底部に挿設固定されている（なお、本実施例では、上部ベース２２と下部ベース２４とはビス２８で固定されているが、これに代えて接着剤等で固定してもよい。）。一方、細径部２４ｂの外周面には、口金１９に螺入させるためのネジが形成されている。さらに、下部ベース２４には、太径部２４ａの上面からテーパ部２４ｃ内を経由して細径部２４ｂの下面および側面に至る連通孔３０が形成されており、後述するように、給電手段２０の大部分が当該連通孔３０に配設されている。
【００４１】
口金１９は、照明器具等のソケット（図示せず）に螺入される有底筒状体であり、ネジが形成された導電材料（例えば金属）製の側面部１９ａと、底面から突設する導電材料製突設部１９ｂと、側面部１９ａおよび突設部１９ｂ間を電気的に絶縁する絶縁材料製の絶縁部１９ｃとで構成されている。
【００４２】
給電手段２０は、口金１９に供給された電力をＬＥＤ１２に供給するためのものであり、口金１９に印加された電圧をＬＥＤ１２の駆動電圧まで変圧するとともに、ＬＥＤ１２に対して過剰な電流が流れるのを防止する駆動回路２０ａと、口金１９および駆動回路２０ａ間を導通させる一対の入力側リード線２０ｂと、駆動回路２０ａおよびＬＥＤ１２間を導通させる一対の出力側リード線２０ｃとで構成されている。また、駆動回路２０ａは、下部ベース２４の連通孔３０における図中上端側に広く形成された部分に配設されており、入力側リード線２０ｂは、当該連通孔３０の図中下端側に配設されており、出力側リード線２０ｃは、上部ベース２２の蓋部２２ｃに形成された連通孔２６に挿通されている。
【００４３】
このＬＥＤ発光装置１０は、一例を示せば以下の手順で製造される。上部ベース２２の図中上表面にＬＥＤ１２を実装し、当該ＬＥＤ１２に被せるようにレンズ１４およびカバー１６をこの順で接着剤等によって取り付け、給電手段２０を内包するようにして上部ベース２２の下端に下部ベース２４を挿設してビス２８で固定し、然る後、下部ベース２４の下端部に口金１９を取り付ける。
【００４４】
本実施例のＬＥＤ発光装置１０では、上述のように、レンズ本体１４ｃの高さＨと底面の直径ＤLENSとが「０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４」の関係を満たしており、かつ、直径ＤLENSと、ＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDと、レンズ本体１４ｃの底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たしている（図３参照）。
【００４５】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、給電手段２０によって給電されたＬＥＤ１２の発光面１２ａから放射され、円錐状のレンズ１４の底面１４ａから当該レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射することから、外部からレンズ１４を見たとき、光が内面全反射する底面側端部の側面１４ｂはほとんど光らず、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見える。
【００４６】
この理由について説明すると、面発光型のＬＥＤ１２は、図４に示すようなランバーシアン型の配光パターンを有している。このランバーシアン型配光パターンでは、光軸（＝０°）と成す角度が±３０°の範囲内にＬＥＤ１２から放射される全光の５０％が含まれており、±４５°の範囲内には全光の７０％が含まれており、さらに±６０°の範囲内には全光の９０％が含まれている。
【００４７】
このような特性を有するＬＥＤ１２から放射された光は、図５に示すように、底面１４ａからレンズ１４内に入射する際、スネルの法則(Snell's Law)に従って屈折する。レンズ１４の材質がポリカーボネート（屈折率＝１．５８）である場合、ＬＥＤ１２から放射された、光軸と成す角度θ１が３０°の光は、空気（屈折率＝１）中を通って底面１４ａで屈折され、θ２＝１８．４５°でレンズ１４内に入る。
【００４８】
Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合（図５（ａ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３は、６０．９°となる。これにより、レンズ１４内に入った光は入射角θ４＝約４２．５°で最初にレンズ１４の側面１４ｂに到達する。ここで、ポリカーボネート製レンズ１４の内表面における臨界角θｃ（当該内表面で光が全反射するか、あるいは屈折透過するかの境目となる角度）は、約４０°である。したがって、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００４９】
一方、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合（図５（ｂ））、レンズ１４の底面１４ａと母線１４ｆとが成す角度θ３’は、７６．８°となり、レンズ１４内に入った光は入射角θ４’＝約５８．４°で最初にレンズ１４の側面に到達する（なお、θ１およびθ２は、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０である場合と同じである。）。したがって、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４である場合も、臨界角θｃよりも大きい入射角θ４’の光は、レンズ１４の内側面で全反射する。
【００５０】
このように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、かつ、２．１４以下であれば、レンズ１４の内部に入射した光の大部分は、当該レンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射する（＝外部から見たとき、全反射領域は光っているように見えない）ことから、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４の先端部側のみが光っているように見えるのである。
【００５１】
ところで、図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ）には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の遠視野パターン(Far-field patterns)を示す。各グラフにおけるＸ軸の中央は光軸ＣＬにおける照度に対応しており、中央から離間する程、光軸ＣＬから離れた位置における照度を示している。
【００５２】
Ｈ／ＤLENSの値が比較的小さい場合には、ＬＥＤ発光装置１０の光軸ＣＬを中心とするピークが１つ形成されている。そして、Ｈ／ＤLENSの値が大きくなるにつれて、当該中心部のピークの値が低下していくとともに、光軸ＣＬと成す角度が比較的大きな周辺光の値が増加していく。
【００５３】
また、図８には、Ｈ／ＤLENSの値を変化させた場合における、配光角［°］（左側軸）および均斉度［無次元］（右側軸）を示す。ここで、「均斉度」とは、遠視野パターン（図６（ａ）〜（ｈ）および図７（ｉ）〜（ｏ））における照度の最小値（＝谷部の値）を最大値（＝ピーク値）で除した値をいい、当該値が１に近づくほど最大値と最小値との乖離が小さくなる（＝均斉度が高くなる）。
【００５４】
ここで、Ｈ／ＤLENSの値が０．９０よりも小さい場合、「均斉度」は、許容下限値である０．２を下回ってしまう。また、Ｈ／ＤLENSの値が２．１４よりも大きくなると、図７（ｏ）に示すように、光軸ＣＬ近傍の光強度がほぼゼロになってしまい（つまり、ＬＥＤ発光装置１０から放射される光の断面形状がドーナツ形となってしまい）、ミニクリプトン電球の代替用発光装置に求められる汎用性が著しく乏しくなる。
【００５５】
また、Ｈ／ＤLENSの値は、ＬＥＤ１２から放射される光の利用効率にも影響を与えるものであり、図９のグラフに示すように、Ｈ／ＤLENSの範囲が０．９０以上、２．１４以下であれば、光の利用効率は９０％以上を維持することができる。
【００５６】
加えて、本実施例のＬＥＤ発光装置１０では、直径ＤLENSとＬＥＤ１２における発光面１２ａの半径ＲLEDとレンズ１４の底面１４ａおよびＬＥＤ１２の発光面１２ａ間の距離ｙと、底面１４ａの中心を含む平面Ｍにおいて底面１４ａの周縁点Ａと発光面１２ａの周縁点Ｂとを結ぶ直線および発光面１２ａに直交する直線が成す角度θとが「ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°）」の関係を満たしていることから、上述のように、ランバーシアン型配光パターンで放射されるＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が４５°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも７０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することになり、光の利用効率を高く維持することができる。さらに言えば、θ≧６０°に設定するのがより好適である。これによれば、ＬＥＤ１２からの全光のうち、光軸ＣＬと成す角度が６０°以下の光（すなわち、図４によれば、全光に対して少なくとも９０％の光）でレンズ１４の底面１４ａを照射することができるからである。
【００５７】
このように、本実施例のＬＥＤ発光装置１０によれば、ＬＥＤ１２から放射された光の大部分がレンズ１４の内側表面で少なくとも１回内面全反射し、外部からレンズ１４を見たとき、レンズ１４における底面側端部はほとんど光らず、先端部側のみが光っているように見えることから、ミニクリプトン電球に替えて使用してもユーザに違和感を与えることがないとともに、レンズ１４から放射する光の均斉度が高く、かつ、ＬＥＤ１２から放射された光の利用効率が高いＬＥＤ発光装置１０を提供することができた。
【符号の説明】
【００５８】
１０…ＬＥＤ発光装置
１２…ＬＥＤ
１２ａ…発光面
１４…レンズ
１４ａ…底面
１４ｂ…側面
１４ｃ…レンズ本体
１４ｄ…フランジ部
１４ｅ…脚部
１４ｆ…母線
１６…カバー
１８…ベース
１９…口金
１９ａ…側面部
１９ｂ…突設部
１９ｃ…絶縁部
２０…給電手段
２０ａ…駆動回路
２０ｂ…入力側リード線
２０ｃ…出力側リード線
２２…上部ベース
２２ａ…天面
２２ｂ…溝
２２ｃ…蓋部
２２ｄ…内部空間
２４…下部ベース
２４ａ…太径部
２４ｂ…細径部
２４ｃ…テーパ部
２６…連通孔
２８…ビス
３０…連通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型のＬＥＤと、前記ＬＥＤに対向する底面で前記ＬＥＤから放射される光を受け入れる透明中実円錐状のレンズと、前記ＬＥＤおよび前記レンズを保持するベースと、前記ＬＥＤに給電するための給電手段とを備えており、
前記レンズの高さＨと前記底面の直径ＤLENSとは、式１を満たしていることを特徴とするＬＥＤ発光装置。
０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４ …式１
【請求項２】
前記直径ＤLENSと、前記ＬＥＤにおける発光面の半径ＲLEDと、前記底面および前記発光面間の距離ｙと、前記底面の中心を含む平面において前記底面の周縁点と前記発光面の周縁点とを結ぶ直線および前記発光面に直交する直線が成す角度θとは、更に式２を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°） …式２
【請求項１】
面発光型のＬＥＤと、前記ＬＥＤに対向する底面で前記ＬＥＤから放射される光を受け入れる透明中実円錐状のレンズと、前記ＬＥＤおよび前記レンズを保持するベースと、前記ＬＥＤに給電するための給電手段とを備えており、
前記レンズの高さＨと前記底面の直径ＤLENSとは、式１を満たしていることを特徴とするＬＥＤ発光装置。
０．９０≦Ｈ／ＤLENS≦２．１４ …式１
【請求項２】
前記直径ＤLENSと、前記ＬＥＤにおける発光面の半径ＲLEDと、前記底面および前記発光面間の距離ｙと、前記底面の中心を含む平面において前記底面の周縁点と前記発光面の周縁点とを結ぶ直線および前記発光面に直交する直線が成す角度θとは、更に式２を満たしていることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ発光装置。
ＤLENS＝２×（ＲLED＋ｙ×ｔａｎθ）：（θ≧４５°） …式２
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２５３９０１（Ｐ２０１１−２５３９０１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２６０９６（Ｐ２０１０−１２６０９６）
【出願日】平成２２年６月１日（２０１０．６．１）
【出願人】（５１０１３８７４１）フェニックス電機株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１日（２０１０．６．１）
【出願人】（５１０１３８７４１）フェニックス電機株式会社 (19)
【Ｆターム（参考）】
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