JP5108418B2

JP5108418B2 - 照明システム

Info

Publication number: JP5108418B2
Application number: JP2007221816A
Authority: JP
Inventors: 慎一安部; 容子松林; 稔前原; 隆雄宮井; 真理藤本; 良徳齋藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: JP2009054491A

Description

本発明は、面発光光源の前面側に配置した液体レンズにより、発光面からの光の配光を制御する照明システムに関するものである。

従来より、平面状の発光部と、発光部の前面側に配置した光学レンズの距離を変化させることによって、光の配光を制御した照明装置があった（例えば特許文献１参照）。この照明装置は、基板上に複数の発光ダイオードが実装されたダイオードモジュールを有し、このダイオードモジュールの前面側には各発光ダイオードに対応する部位にレンズが形成されたレンズモジュールが対向して配置されている。また、この照明装置には、ダイオードモジュールとレンズモジュールの距離を変化させるための可変機構が設けられており、この可変機構によってダイオードモジュールに対しレンズモジュールが前後方向に移動可能となっている。

この照明装置では、ダイオードモジュールとレンズモジュールの距離を大きく設定するとダイオードモジュールから放射された光は収束され、逆に距離を小さく設定するとダイオードモジュールから放射された光は拡散される。
特開２００４−３５５９３４号公報（段落［００４０］−段落［００４９］、及び、第９図）

上述の特許文献１に示した照明装置では、上記可変機構によってダイオードモジュールとレンズモジュールの距離を変化させることでダイオードモジュールから放射された光の配光を制御しているため、この可変機構を設けることで装置が複雑且つ大型化し、また所望の配光を得るためにダイオードモジュールとレンズモジュールの距離を調節するのが煩雑であるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、容易に配光を調節できる小型で簡素な照明システムを提供することにある。

請求項１の発明は、平面状の発光面を有する面発光光源と、発光面の前面側に設けられ印加する電圧を変化させることによって発光面からの光の配光を制御する液体レンズと、液体レンズに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、液体レンズは複数組の電極を有し、電圧制御部は、人が知覚できるレベルの周期で照射光が周期的に変化するように、各組の電極に印加する電圧を周期的に変化させ、且つ、各組間で印加する電圧の位相をずらしていることを特徴とする。

請求項２の発明は、液体レンズは、水溶液層と有機層とを有し、少なくとも水溶液層又は有機層の何れか一方は着色され、且つ、水溶液層及び有機層は互いに異色であることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、液体レンズに電圧を印加することによって液体レンズの屈折率を変化させることができるので、印加する電圧を制御することによって所望の配光を容易に実現することができ、また発光面と液体レンズの距離を変化させる必要がないので従来例のような距離を変化させる可変機構が不要であり、装置が複雑化することなく且つ小型の照明システムを提供することができるという効果がある。さらに、光源として有機ＥＬ素子を用いた場合には、薄型の照明器具を提供することができるという効果もある。また、電圧制御部が液体レンズに印加する電圧を周期的に変化させることによって、液体レンズの界面形状を周期的に変化させることができるので、被照射面への照射光に揺らぎを与え、照射方向にいる人に対してくつろぎ感を与えることができるという効果もある。

請求項２の発明によれば、少なくとも水溶液層又は有機層の何れか一方を着色し、且つ、水溶液層及び有機層を互いに異色に形成しているので、液体レンズに電圧を印加して水溶液層と有機層の界面形状を変化させることによってレンズ中心からの光の透過率分布を変化させることができ、被照射面に対する所望の照度分布及び光色分布を容易に実現することができるという効果がある。

（第１の実施形態）
第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の照明システムは、例えば天井などに取付けられ、室内などを照明するために用いられる。

照明システムは、図１に示すように、平面状の発光面を有する面発光光源１と、面発光光源１の発光面の前面側に配設され、発光面からの光の配光を制御するための液体レンズ２と、面発光光源１に点灯電力を供給する点灯回路３１、及び、液体レンズ２に電圧を印加する直流電圧回路３２を有する制御回路部３とを備えている。

面発光光源１は、例えば所謂有機ＥＬ素子であって、図２に示すように透光性を有する絶縁材料（例えば、ガラスなど）からなる横長の矩形板状の透明基板１３を備え、透明基板１３の上面には、例えばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のような透光性を有する導電材料からなる陽極電極１２が設けられている。この陽極電極１２の上面には光を発生させる有機発光層１０が設けられ、さらに有機発光層１０の上面には、例えば銀やアルミニウムなどの金属材料からなる陰極電極１１が設けられている。すなわち、陽極電極１２と陰極電極１１との間で有機発光層１０を挟んだ、所謂ヘテロ構造となっている。

また、陰極電極１１の一端側（図２中の右側）は下方に略Ｌ字状に突出して透明基板１３の上面と接しており、この一端側において例えばクロムメッキなどにより透明基板１３上に形成された太幅部１４及び細幅部１５からなる接続導体の一方（図２中の右側）と電気的に接続されている。さらに、他方（図２中の左側）の接続導体は、他端側（図２中の左側）において陽極電極１２と電気的に接続されている。これらの接続導体には電源線４（図１参照）がそれぞれ接続され、この電源線４を介して点灯回路３１から点灯電力が供給される。

また、陰極電極１１の上面には、例えばシリコーン樹脂などからなる封止層１６が陽極電極１２、有機発光層１０及び陰極電極１１を覆うように形成され、防湿構造となっている。

このように有機ＥＬ素子は、構造が簡単であるため非常に軽く且つ薄くすることができ、また数Ｖ〜数十Ｖ程度の直流低電圧で点灯できるため簡単な点灯回路でよいという利点がある。

点灯回路３１は、商用電源の交流出力を全波整流するダイオードブリッジと、ダイオードブリッジの出力端間に接続された、例えばＦＥＴなどからなるスイッチング素子、インダクタ及びコンデンサを直列に接続した直列回路と、インダクタ及びコンデンサの直列回路の両端間に接続されたダイオードと、スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路とを備えた所謂バック・コンバータからなる。この点灯回路３１では、制御回路がスイッチング素子のオン／オフの周波数或いはデューティを制御することで、コンデンサの両端電圧、すなわち点灯回路３１の出力電圧を制御している。尚、この点灯回路３１については、従来周知のものを採用しており、詳細については説明を省略する。

次に、面発光光源１の動作について説明する。点灯回路３１から電力線４を介して陽極電極１２及び陰極電極１１に点灯電力が供給されると、陽極電極１２及び陰極電極１１から放出された正孔及び電子が有機発光層１０に注入され、有機発光層１０内で結合する。この結合が起こった際のエネルギーで有機発光層１０内の周りの分子が励起され、これらの分子が励起状態から再び基底状態に戻る際に光を発生する。有機発光層１０内で発生した光は、陰極電極（金属電極）１１を反射板として陽極電極（透明電極）１２及び透明基板１３を透過して被照射面に照射される。ここに、透明基板１３の外側面（図２中の下側面）で発光面が構成されている。

ここで、液体レンズ２の構成について図３に基づいて説明する。液体レンズ２は、例えばアクリル樹脂のような透明材料で形成された略円形の容器２２を有し、容器２２の内部には後面側（図３（ａ）中の右側）に傾斜する傾斜面を有する形状の絶縁部材２０が設けられている。この絶縁部材２０を間にして容器２２の厚み方向（図３（ａ）中の左右方向）両側には、電極２１（２１ａ、２１ｂ）が設けられており、絶縁部材２０、電極２１ｂ及び容器２２の内側面で形成される凹所内にオイル及び水溶液が封入され、それぞれオイル層２３及び水溶液層２４を形成している。

この液体レンズ２の内部には、電極２１と水溶液層２４との間に働く力γ_ｓｗ、電極２１とオイル層２３との間に働く力γ_ｓｏ、及び、水溶液層２４とオイル層２３との間に働く力γ_ｏｗの３つの界面張力が発生する。電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加していない状態（図３（ａ）参照）では、３つの界面張力と、電極２１ａとオイル層２３との接触角度θ_１との間には、所謂Ｙｏｕｎｇ−Ｌａｐｌａｃｅの方程式から、

という関係が成り立つ。

また、電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加した状態（図３（ｂ）参照）では、発生した電荷による圧力Πが加わり、３つの界面張力と、接触角度θ_２との間には、

という関係が成り立つ。尚、εは絶縁部材２０の誘電率、ε_０は真空誘電率、ｅは絶縁部材２０の厚さ、Ｖは印加電圧である。

而して、この液体レンズ２では、電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加していない場合には、電極２１ａとオイル層２３との接触角度が上記の式（１）により求められるθ_１となり、内側（図３（ａ）中の右側）に凹形状の界面が形成される。一方、電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加した場合には、電極２１ａとオイル層２３との接触角度が上記の式（２）により求められるθ_２（θ_１＜θ_２）となり、外側（図３（ｂ）中の左側）に凸形状の界面が形成される。このように、電極２１ａ、２１ｂ間に電圧を印加することによって、水溶液層２４とオイル層２３の界面形状を変化させることができ、液体レンズ２の屈折率を変化させることができる。

ここで、本実施形態の照明システムについて図１に基づいて説明する。図１（ｃ）は図１（ａ）の照明システムにおけるＸ−Ｘ断面図を示しており、液体レンズ２は略円形に形成され、１対の電極２１ａ、２１ａ（電極２１ｂ、２１ｂも同様）が周設されている。これらの電極２１ａ、２１ｂには電線５がそれぞれ接続され、この電線５を介して直流電圧回路３２から電圧が印加される。尚、図１（ａ）、（ｂ）における電極２１ａ、２１ｂの位置は液体レンズ２における概略位置を示しており、正確には図３（ａ）、（ｂ）のように配置されている。

今、図１（ａ）に示すように容器２２の開口径φ＝２００ｍｍ、厚さＤ＝３０ｍｍとすると、容器２２の容積ＬはＬ＝π×１００^２×３０／１０００＝９８２ｃｍ^３となり、水溶液及びオイルの比重を１とした場合、その重量は９８２ｇとなる。したがって、天井取付などを考慮すると、これ以上開口径を大きくすることは重量的に好ましくなく、容器２２の開口径φ＝２００ｍｍ以下とするのが望ましい。

次に、照明システムの動作について説明する。まず、液体レンズ２に電圧を印加せずに面発光光源１を点灯させた場合には、図１（ａ）に示すように液体レンズ２を構成する水溶液層２４とオイル層２３の界面は略水平となっており、面発光光源１から照射された光は液体レンズ２内を透過する際に水溶液層２４とオイル層２３の界面で屈折し、被照射面に発散される。一方、液体レンズ２に電圧を印加させて面発光光源１を点灯させた場合には、図１（ｂ）に示すように液体レンズ２を構成する水溶液層２４とオイル層２３の界面は下側に凸となる凸形状に形成され、液体レンズ２は所謂凸レンズとなる。したがって、面発光光源１から照射された光は、液体レンズ２内を透過する際に水溶液層２４とオイル層２３の界面で屈折し、被照射面に収束される。

上述のように本実施形態の照明システムでは、電圧を印加して液体レンズ２の屈折率を変化させることによって、面発光光源１からの光の配光を変えることができ、また液体レンズ２を凸レンズとすることによって、被照射面への照射パターンのエッジを強調することができ、光だまり感を与えることができる。尚、本実施形態の照明システムでは、液体レンズ２よりも小さい面発光光源１を用いることによって、照射パターンのエッジを強調することができる。また、面発光光源１と液体レンズ２の距離を変化させる必要がないので、従来例のような距離を変化させる可変機構が不要であり、装置が複雑化することなく且つ小型の照明システムを提供することができる。さらに、本実施形態では、面発光光源１として有機ＥＬ素子を用いているので、薄型の照明システムを提供することができる。

また、人体検知用のセンサやタイマなどを用いることによって、室内などに人が入ってきた場合やタイマで設定した時間になった場合に、自動的に光の配光を制御することもできる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の照明システムに対して、水溶液層２４を着色するとともに、水溶液層２４とオイル層２３とを異色とした点で第１の実施形態と異なり、それ以外の構成は第１の実施形態と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。

液体レンズ２を構成する水溶液層２４は、例えば水溶液には溶けるがオイルには溶けないアントシアンなどにより赤色に着色されており、水溶液層２４とオイル層２３とで光の透過率が異なるように設定されている。

この照明システムでは、液体レンズ２に電圧を印加すると、電極２１ａとオイル層２３の接触角度がθ_２となり、水溶液層２４とオイル層２３の界面が外側に凸となる凸形状に形成される。この場合、液体レンズ２は、レンズ中央部においてオイル層２３が最も厚く、レンズ中央部から離れるにつれてオイル層２３の厚みが徐々に薄くなり、両端部で最も薄くなっている。すなわち、液体レンズ２において、着色された水溶液層２４の厚みが異なっているため、液体レンズ２を透過する光の透過率を、透過する部位に応じて変化させることができ、したがって被照射面への照射パターンの光色の濃淡を変化させることができる。

尚、本実施形態では、アントシアンを用いて水溶液層２４を赤色に着色した場合を例に説明したが、例えばオイルには溶けるが水溶液には溶けないカプチロンなどによりオイル層２３を橙黄色〜赤橙色に着色してもよく、同様に被照射面への照射パターンの光色の濃淡を変化させることができる。また、水溶液層２４及びオイル層２３は、互いに異色であればよく、水溶液層２４及びオイル層２３ともに着色した液体レンズであってもよい。

（第３の実施形態）
第３の実施形態を図４、図５に基づいて説明する。第１の実施形態では、液体レンズ２に２組の電極２１ａ、２１ｂを設け、これら２組の電極２１ａ、２１ｂに同じ直流電圧を印加した場合について説明したが、本実施形態では液体レンズ２’に複数組の電極２５ａ、２５ｂを設け、各組の電極２５ａ、２５ｂに印加する電圧の位相を周期的に変化させるとともに、各組間で位相をずらしている。それ以外の構成は第１の実施形態と同様であり、同一の構成要素には同一の符号を付して説明は省略する。

本実施形態の照明システムは、図４（ｂ）に示すように複数組（本実施形態では３組）の電極２５ａ、２５ｂが周設された液体レンズ２’と、各組の電極２５ａ、２５ｂに印加する電圧を周期的に変化させる電圧制御部３３とを備えており、各組の電極２５ａ、２５ｂには、図５に示すように位相を周期的に変化させた電圧がそれぞれ印加される。尚、この印加電圧の周期は、人が知覚できるレベルに設定する必要があるため、数十Ｈｚ以下に設定されている。

この照明システムでは、点灯回路３１により面発光光源１に点灯電力を供給するとともに、電圧制御部３３により液体レンズ２’の各組の電極２５ａ、２５ｂにそれぞれ電圧を印加すると、各組の電極２５ａ、２５ｂに印加される電圧は位相が周期的に変化するとともに、各組間で位相がずれているため、液体レンズ２’を構成する水溶液層２４とオイル層２３の界面が実線６に示すように不規則に変化する。したがって、面発光光源１から照射された被照射面への光に揺らぎを与えることができ、その結果、光の照射方向にいる人に対してくつろぎ感を与えることができる。また、電極２５ａ、２５ｂを複数組設けることによって、複雑な光の波紋を形成することができる。

尚、本実施形態では、３組の電極２５ａ、２５ｂを設けた場合を例に説明したが、電極の組数は２組や４組以上であってもよく、使用環境などに応じて適宜設計すればよい。

（ａ）〜（ｃ）は第１の実施形態の照明システムの説明図である。同上に用いられる面発光光源を示す斜視図である。（ａ）、（ｂ）は同上に用いられる液体レンズの説明図である。（ａ）、（ｂ）は第３の実施形態の照明システムの説明図である。同上の液体レンズに印加される電圧の波形図である。

符号の説明

１面発光光源
２液体レンズ

Claims

平面状の発光面を有する面発光光源と、前記発光面の前面側に設けられ印加する電圧を変化させることによって前記発光面からの光の配光を制御する液体レンズと、前記液体レンズに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
前記液体レンズは複数組の電極を有し、
前記電圧制御部は、人が知覚できるレベルの周期で照射光が周期的に変化するように、各組の前記電極に印加する電圧を周期的に変化させ、且つ、各組間で印加する電圧の位相をずらしていることを特徴とする照明システム。
前記液体レンズは、水溶液層と有機層とを有し、少なくとも前記水溶液層又は前記有機層の何れか一方は着色され、且つ、前記水溶液層及び前記有機層は互いに異色であることを特徴とする請求項１記載の照明システム。