JP2010246486A

JP2010246486A - 水槽用照明装置

Info

Publication number: JP2010246486A
Application number: JP2009101078A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tabei; 達也田部井
Original assignee: Colcoat Co Ltd
Current assignee: Colcoat Co Ltd
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-11-04

Abstract

【課題】
水面付近と深部との照度差を小さくでき、水槽内全体の効率的照明ができ、薄型軽量で水槽内メンテナンスのための移動が容易であり、植物の育成や鑑賞に適した発光波長や照度が適切に調整できる水槽用の照明装置を提供する
【解決手段】
透明部材からなる導光体と、該導光体外周端面の一辺もしくは対向する二辺を入射辺としてその近傍に配置された複数の発光ダイオード光源とを有し、導光体の長手方向の一側面を背面とし、背面には１つ以上の反射パターン形成領域と２つ以上の反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、背面に対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっており、出射光に指向性を付与するようにしたことを特徴とする水槽用の照明装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、鑑賞魚や水生植物の飼育・栽培に用いられる水槽用の照明に関するものである。

鑑賞魚や水生植物の飼育・栽培に用いられる家庭用の水槽用の照明装置としては、蛍光灯やメタルハライドランプが主に用いられている。
蛍光灯照明は設備費用が比較的安価なため手軽に導入でき、最も広く使用されている。図１のように蛍光灯１を反射板２で覆った構造の照明装置を水槽３の上に載せる方法が一般的であるが、以下のような欠点を持つ。
・指向性を持たない拡散光であるため、照明装置から離れるに従い急速に照度が低下する（図１の矢印は光の広がりを示す）。このため水面付近と深部とで大きな照度差が発生し、鑑賞に好ましくないばかりでなく、深部付近の背の低い植物に必要な光束が十分行き渡らない。また、拡散光であるために周囲まで不必要に明るくなってしまう上、光の利用効率が悪い。
・照度が経時的に低化してしまうため照明環境の精密な制御ができない上、定期的な交換が必要となる。特に水生植物の育成には６５０〜７００ｎｍ付近の波長を豊富に含む光が必要だが、一般の蛍光灯にはこの領域の波長が不足しているため専用の蛍光灯が必要となるが、高価なためランニングコストが嵩む。
・水槽内の手入れのためには照明装置を持ち上げて移動する必要があるが、重量があるために労力を要する。
・拡散光であるため陰影があまりできず、水槽内が平板的に見えてしまう。光束に指向性を付与するために凹面ミラーを用いたものもあるが、装置が大型化するため水槽内のメンテナンスをさらに困難にする上、景観的にも好ましくない。
・水槽の上を覆うように設置されるためランプの発熱がこもりやすく、水温上昇を招く。
・発光強度の調整が十分にはできない。

一方、メタルハライドランプを用いる場合の例を図２に示すが、これには以下のような欠点がある。
・メタルハライドランプ６は光源として小さいため、水槽全体を照明するためには図２のように水槽の上方に適度の距離をおいて設置しなければならず、天井から吊るすかスタンドを設置する必要がある（図２の矢印は光の広がりを示す）。照明装置自体が高価な上にこうした初期導入コストが大きい。
・ランプの発光を効果的に水槽に照射させるためには、反射板などによって外形が厚い照明装置となるため、景観的に望ましくない。
・光の強度調整ができないため、照射時間で照射量を管理するしかなく、適正照射量の管理が難しい。特に照射量が多くなりすぎて水槽壁面に藻が発生しやすい。
・小さな光源から発散する直進性の高い光であるため陰影が強くでき過ぎ、明るい部分と影の部分とで植物の育成環境が一定にならない。
・照明装置が高いところに設置されるため、水槽の周囲まで不必要に明るくなってしまう上、直接光が非常に眩しく見える。

一方、特許文献１では、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた水槽用照明装置が提案されている。これは図３のように発光色の異なる複数のＬＥＤ８が配列された構造である。ＬＥＤを使用することによって発光強度や波長分布の調整が可能となり、省電力で長寿命、低コストな照明装置が提供できることが記されている。

しかしながら、図３のようにＬＥＤを配列した照明装置では以下のような問題が発生すると考えられる。
・複数の点光源からの照明となるため、各々の光源に対応した影がずれてできることになり、何重にもできる影が非常に不自然に見えてしまう。
・特に発光色の異なるＬＥＤが並んでいる場合には、着色した影が何重にも重なって発生することになるため、観賞魚や植物などが本来持つ色を埋没させてしまうことになる。
・配光角度の広いＬＥＤを用いる場合には、水面付近と深部とでの照度差が大きく、深部付近の植物に必要な光束が十分に行き渡らない。一方、配光角度の狭いＬＥＤを用いる場合には、個々のＬＥＤに対応した円形の照明ムラが発生する。
・高い光束を得ようとする場合にはＬＥＤの発熱量が大きくなり、水槽壁面上に載せる設置方法では熱が篭りやすく、水温上昇を招く。

特開２００８−２９３９４５号公報

本発明は、水面付近と深部との照度差を小さくでき、水槽内全体がまんべんなく効率的に照明でき、自然な陰影を形成し、薄型軽量で水槽内メンテナンスのための移動が容易であり、植物の育成や鑑賞に適した発光波長や照度が適切に調整でき、水温の上昇が小さく、省電力、長寿命で低コストな照明装置を提供することを課題とする。

本発明は、透明部材からなる導光体と、該導光体外周端面の一辺もしくは対向する二辺を入射辺としてその近傍に配置された複数の発光ダイオード（LED）光源とを有し、前記導光体の長手方向の一側面（背面）には、１つ以上の反射パターン形成領域と２つ以上の反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、背面に対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっており、出射光に指向性を付与するようにしたことを特徴とする水槽用照明装置である。

導光体の背面における反射パターン形成領域と反射パターン非形成領域によるストライプ上の形成は、例えば反射パターン形成領域が１つの場合はその両側に非形成領域が配列される。反射パターン形成領域が２つの場合はその間に１つの非形成領域と各形成領域の外側に非形成領域が配列される形状で、その結果導光体背面には反射パターン非形成領域の数が形成領域の数より１つ多い構成のストライプ状が形成されことになる。

本発明において、導光体背面の反射パターン形成領域には導光体内に導入された光を出光面方向に反射させるためのパターンが形成されており、このパターンは導光体の短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されていることが好ましい。

また、導光体外周端面の一辺もしくは対向する二辺の近傍に配置されるLED光源は、発光波長の異なる複数のLEDであることが好ましい。

本発明の照明装置の特徴となる照明装置の構成とその設置状況を模式的に示した斜視図を図４に示す。また、照明装置の一部分を拡大しＬＥＤと導光体の特徴となる構成を説明する図を図５に示す。（図４と図５とでは、天地が逆になっている。）
透明部材からなる導光体９の一辺もしくは対向する二辺の端面を入射面１０としてＬＥＤ光源８が配置される。該導光体の背面１５には、２つ以上の反射パターン形成領域１１と反射パターン非形成領域１２とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、対向する出光面１３は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっている。反射パターン形成領域には反射パターン１４が形成されている。

本発明によれば、照明光に適度な指向性が付与されるため、蛍光灯照明の場合に問題となる、水面付近と深部との大きな照度差が回避できる。また、光束を効率良く水槽内部へと配光できるため、消費電力の節約となる。また、導光体全体が面発光するため、メタルハライドランプ照明の場合のように光を広げるために水槽上方に距離を置いて設置する必要が無く、水槽に直接載せる固定方法でも槽全体がまんべんなく照明できる。
また、発光波長の異なるＬＥＤを組み合わせて使用することにより幅広い用途、趣向に対応することが可能となる。
また、発熱部となるＬＥＤは照明装置の両端部分に配置されるので、適切に放熱することにより、水槽内部に熱がこもって水温が上昇する現象を最小に抑えられる。

本発明の照明装置における光の挙動について導光体側面の断面を示す図６を用いて説明する。ＬＥＤ８からの光は入射面１０より導光体９の内部に取り込まれ、空気界面での全反射を繰り返しながら導光体内を伝播していく。導光体の背面１５に形成された反射パターン１４は、光を反射または拡散させる効果を持ち、この反射パターンに到達した光の一部は出光面１３より出射される。導光体内の光束密度は入射面から離れるに従い低くなるが、反射パターンの密度を徐々に高くするようなグラデーションを施すことにより、光源からの距離にかかわらず一定の光束を出射させることが可能となり、水槽の端と中央部分との照度を均衡させることができる。

以下に本発明の導光体からの出射光に指向性が付与される原理について説明する。
図７は、仮に出光面１３が平面であった場合の入射面側から見た（図４に記載のＹ−Ｚ平面の）断面を示す図で、図８が本発明の導光体の断面図である。図７においては、反射パターン形成領域１１から反射された光は出光面の空気との屈折率差により屈折して（Ｙ―Ｚ平面で）拡散してしまう。これに対して本発明の導光体構造では、反射パターンの法線方向に稜線を持つカマボコ状の断面となっているため、図８の光路（矢印）が示すように空気界面での屈折により集光され法線方向に適度な指向性が付与されることになる。

Ｙ−Ｚ断面での形状（以下、単に断面形状と呼ぶ）において、カマボコ形状の半径Ｒ、反射パターンとカマボコ頂部の距離Ｈ、反射パターン形成領域１４の幅Ｗ、反射パターン形成領域のピッチＰ、これらの相対比によって、出射光の角度特性や光の利用効率が変動するので、適切な断面構造を選定することが好ましい。ＨはＲの１．５倍から２．５倍の範囲にすることが望ましい。２．５倍以上になると、図９の光路Ａのように隣接するカマボコ状レンズ面へと到達して拡散されて出射する光や、光路Ｂのように外部に出射されずに界面反射してしまう光が増え効率が悪化するため望ましくなく、１．５倍以下の場合には出射角度が広がり（指向性が弱まり）望ましくない。また、ＷはＨの１／１０〜１／３の範囲にあることが望ましい。ＷがＨの１／３以上の場合には、図１０に示すようにやはり光路Ａや光路Ｂが増え望ましくない。ＷがＨの１／１０以下の場合には反射パターンが光を反射させて出光させる割合が小さくなりすぎるため、効率が悪化する。また、ＰはＲの１．５倍以上であることが望ましい。Ｐが１．５以下である場合には光路Ａが増えるため望ましくない。ＰをＲの１．８倍程度以上にする場合には、出光面の形状は図１１に示すように連結部１６を設けてよい。特にＰをＲの２倍以上にする場合には連結部を設ける必要がある。この連結部から出射される光はほとんど無いため、光学的には連結部の断面形状は重要でない。平面以外にも、たとえば中間に谷を持つテーパー面としてもよい。

本発明の導光体の特徴は反射パターン領域からの反射光を法線方向に集光するために出光面がカマボコ状となっていることであって、バリエーションとして、図１２に示すように反射パターン非形成領域に肉抜き部１７を形成することも軽量化の上で効果的である。このような変更によっても出射特性は大きくは影響されない。

反射パターン以外の導光体の表面は全て平滑であることが望ましい。平滑性が悪い場合には界面での光散乱が起こるため、制御されていない漏れ光が発生し効率が悪化するばかりでなく、Ｘ軸方向に長い導光体では光源から離れたところまで光が伝達されないため全体を発光させることができなくなる。また、断面形状は基本的にはどの位置でも同一であることが望ましい。光の進行方向に対して断面形状が小さくなるような傾斜面もしくは段差が存在すると、導光する光が空気界面で全反射せず、望ましくない方向への出射光が発生し易くなる。

図５においてはＬＥＤ８の位置をカマボコ断面の中心位置に配置しているが、必ずしもその必要は無い。例えば多数のチップを横長に実装したパッケージのＬＥＤ（例：シチズン電子製ＣＬ-１０２）を用いる場合は、図１３の光源８に示すようにカマボコ断面の位置とは無関係に配置することになる。ただし、一般的に大光束を得られるＬＥＤは発光部の縦横比が同程度で発光面積が広く、一方で導光板の厚さは軽量化、薄型化することが望まれている。ＬＥＤの発光を効率良く導光体内へと入射させるためには、導光体の入射面の断面がＬＥＤの発光面よりも一回り大きいことが望ましいため、カマボコ断面の頂部にＬＥＤ中心を合わせて配置することが、導光板への入射効率を犠牲にせず薄型化する上で最も有利となる。図５ではカマボコ形状２個に対してＬＥＤ一個を配列しているがこれに限られるものではなく、一対一で対応させて配置させてもよく、逆にもっと間隔を空けてＬＥＤを配置することも可能である。

ＬＥＤはなるべく導光体の入射面に近づけて配置することが入射効率の上で有利である。さらに、ＬＥＤと導光体の連結部分は漏れ光を抑えるために反射性の部材で覆うことが、入射光率を高める上で望ましい。
ＬＥＤを配置する入射辺は導光体の一辺であってもよいが、長手寸法の短い小型の水槽用の照明装置以外では十分な光束を得るために多数のＬＥＤを並べる必要があるため、照明装置の短手外形寸法を小さくする上で、対向する二辺に配置することが有利である。二辺に配置する場合には反射パターンの密度はＸ軸方向中心部で最も密となり両端に向かって徐々に疎となるようにグラデーションが施される。

反射パターンに到達した全ての光が出光面側に反射されるのではなく、一定量の光は背面裏側にも漏れるため、背面側には光反射性の部材を空気層を介して配置することが望ましい。反射部材が導光体背面と密接していれば、反射して導光体側に戻された光もカマボコ形状の出光面より効果的に集光されて出射される。また、側面からも微小な光漏れは起こるため側面も空気層を介して反射部材で覆われていることが好適である。また、ＬＥＤを一辺のみに配置する場合には、対向する端面にも反射性の部材を配置、あるいは貼り付けることによって端面から漏れる光を再び導光体内に戻してやることが効率を高める上で望ましい。

導光体が汚れると導光体内を全反射して伝わる光の損失があるため、透光性のカバーで出光面側を覆うことも好適に行える。場合によっては透光性カバーに光を適度に拡散させて和らげるものを用いることもできる。

次に本発明で使用する導光体の製造方法について説明する。
導光体の量産方法としては、第一の方法はインジェクション成形法により成形する方法である。金型上に凹凸形状の反射パターンによりグラデーションを施し、これを成形時に転写することにより一工程で製造することが可能である。
金型上に反射パターンを形成する方法としては、ドット状のパターンを電鋳（エレクトロフォーミング）あるいはエッチングにより加工する方法、刃物を用いて直接切削加工する方法など、液晶バックライト用の導光板に適用されている方法を用いることができるが、指向性を高くする目的においては、刃物により切削加工する方法が特に好適である。刃物（バイト）を用いてＹ軸方向に引ききり加工することで平滑性に優れた凹凸面を金型上に高精度に加工できる。これにより成形によって転写された導光体上の反射パターンも鏡面反射性に優れたものにすることができる。Ｘ-Ｚ面方向での出射角度は、凹凸形状によって変化するため、対応する先端形状の刃物（バイト）を使用することで出射角度をコントロールでき、法線方向にピークを持つ高い指向性を付与することも可能となる。

法線方向にピークを持たせるための反射パターンの凹凸形状としては、ＬＥＤを対向する二辺に配置する場合には、図１４のように反射面１８を両側に持つ形状とし、反射面と法線との成す角度αを２５〜３５度にすることが好適である。凹凸形状は対称であるため、双方から進行してきた光がともに法線付近にピークを持つ分布で出射される。

一方、ＬＥＤを一辺に配置する場合には、同じく図１４のような対称形状であっても良いが、図１５のように第一反射面１９と第二反射面２０とを持つ非対称形状とし、第一反射面の法線と成す角度βを７０度から８５度とし、第二反射面の成す角度αを３５度から４５度とすることがさらに好適である。

導光体量産の第二の方法は押し出し成形法により成形する方法である。対応する断面形状の金型を準備し押し出し成形したのち所定の長さにカットして使用する。押し出し成形では反射パターンのグラデーション加工が同時にはできないため、反射パターンは外形加工後に別工程として行うことになる。パターンの加工方法としては、一般的に導光体へのパターン加工として使用されている、レーザー加工、Ｖ溝切削加工、印刷、などがいずれも適用でき、特に、前記したように法線方向にピークを持つ高い指向性を付与したい場合においては、Ｖ溝切削加工が最も好適に用いられる。
インジェクション成形と比較するとパターン加工のための工程が増えるというデメリットがあるが、インジェクション成形の金型は大型になるほど高価になるのに対して、金型費用を低く抑えることができる。また、長細いものでは成形コストもインジェクション成形と比較して低く抑えられる。特に、同一の断面形状で長さのみ異なる種々の製品を製造する場合に大きなメリットがある。

導光体の材質としては、用いるＬＥＤの発光波長において高い透過率を持つものが望ましく、アクリル系樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン系樹脂、などが好適に用いられる。

次に本発明で使用するＬＥＤについて説明する。
水槽用の照明装置には、飼育・栽培する品種、槽内環境、あるいは利用者の趣味性によって望まれる波長分布が変わるため、２種類以上の異なる発光波長のＬＥＤを配置することが、大きな利点となる。

現在、発光効率が最も高いため一般的に使用されている白色のＬＥＤは青色発光のチップと黄色の蛍光体とを組み合わせたタイプのものであり、本発明の照明装置の光源としても好適に使用できる。しかしながら、このタイプの白色ＬＥＤは高い照度を得るには有利だが、植物の光合成に必要となる６５０〜７００ｎｍの波長の光をほとんど発光しない。そこで、６５０〜７００ｎｍにピーク波長を持つ赤色発光のＬＥＤを組み合わせて使用することにより、水槽照明として適した照明となる。この波長域のＬＥＤを組み合わせることは、観賞魚や植物を鮮やかに発色させる上でも好ましい。先に従来技術として引用した、発光色の異なるＬＥＤを配列させた照明装置（特許文献１）では、個々のＬＥＤから放射された光の影がずれて何重にも形成される問題を指摘したが、本発明の照明装置ではそのような現象はほとんど起こらない。個々のＬＥＤからの光は導光体内でＹ方向に広がって混ざり合うため、異なる発光色のＬＥＤが配置されていても、入射辺付近の小さなエリアを除けば導光体面全体がほぼ均等な色で発光することになるためである。ただし、なるべく小さなエリア内で光が混じり合うようにするために、同一発光色のＬＥＤどうしの間隔が広くなり過ぎないように配置することが望ましい。

また、サンゴなど無脊椎動物の飼育する場合には４００〜４８０ｎｍの波長域が重要であるが、ここにピーク波長を持つ青色発光のＬＥＤを合わせて使用することも適宜望ましい。
あるいはまた、水生植物の緑色の発色を鮮やかに見せるために５２０ｎｍ付近にピーク波長を持つ緑色のＬＥＤを合わせて使用することも適宜望ましい。鑑賞目的とした水槽の照明では使用者の好みなどによって適した波長分布が異なるが、ＬＥＤの発光波長の様々に組み合わせによって幅広い用途、好みに対応することが可能である。

水槽内の水生植物に好適な照明環境は同時に水槽壁面の苔繁殖にも好適な環境となるため、従来の照明装置では照射量を高めるほど水槽の壁面に苔が発生しやすくなるという問題があった。特に前方の水槽壁面に苔が発生すると鑑賞の妨げとなるため苔を取り除く煩わしい作業が必要となる。しかしながら本発明の照明装置では、照明光に指向性があるため、配光を適正に制御して前方壁面への照射量を低減することができる。したがって水槽内部の水生植物には十分な光照射を行いながら、水槽壁面の苔発生を抑えることが可能となる。

本発明の照明装置では、それぞれの制御装置を設けることにより各々の発光色の発光強度を独立して調節できる。したがって例えば鑑賞時には鑑賞に適した照明色とし、鑑賞しない時間帯には植物育成に必要な波長を増強して照明するといった利用方法が可能となる。ＬＥＤからの発光は電流値の制御により１０倍以上の調光を容易に行える。また、ＬＥＤの発光は蛍光灯と比べて経時的な光束低下が小さいため、水槽環境に適した照明を安定して行うことができ、長期にわたって光源の交換を必要とせずに使用できる。

大光束を出力できるＬＥＤでは発熱による温度上昇を防ぐ必要がある。このためＬＥＤは熱伝導による放熱に配慮した配置をすることが望ましく、例えばアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽量で熱伝導性の高い材質でできたヒートシンクに基板を接続して放熱することが望ましい。
本発明の照明装置の構造では、発熱源は照明装置の両端部分のみとなるので、適切な放熱機構を設けることにより、水槽内部に熱がこもって水温が上昇する現象を最小に抑えられる。また、ＬＥＤの発光波長に赤外線はほとんど含まれないため、輻射熱による水温上昇も起こらない。

蛍光灯を使用した従来の水槽用照明装置の実施形態を示す図メタルハロゲンランプを使用した従来の水槽用照明装置の実施形態を示す図従来から提案されているＬＥＤを使用した水槽用照明装置の実施形態を示す図本発明の水槽用照明装置の実施形態を示す図本発明の照明装置の特徴を示す斜視拡大図光の挙動を説明するための側面図光の挙動を説明するための導光体断面図光の挙動を説明するための導光体断面図光の挙動を説明するための導光体断面図光の挙動を説明するための導光体断面図連結部のある形状例を示す導光体断面図肉抜き部のある形状例を示す導光体断面図横長のＬＥＤを配置した実施例を示す斜視拡大図反射パターンと光の挙動を説明する側面図反射パターンと光の挙動を説明する側面図

１蛍光灯
２反射板カバー
３水槽
４観賞魚
５水生植物
６メタルハライドランプ
８発光ダイオード（ＬＥＤ）
９導光体
１０入射面
１１反射パターン形成領域
１２反射パターン非形成領域
１３出光面
１４反射パターン
１５背面
１６連結部
１７肉抜き部
１８反射面
１９第一反射面
２０第二反射面

Claims

透明部材からなる導光体と、該導光体外周端面の一辺もしくは対向する二辺を入射辺としてその近傍に配置された複数の発光ダイオード光源とを有し、前記導光体の長手方向の一側面（背面）には、１つ以上の反射パターン形成領域と２つ以上の反射パターン非形成領域とが入射辺に直交するストライプ状に形成されており、背面に対向する出光面は、個々の該反射パターン形成領域の法線上に稜線を有するカマボコ状レンズ形状となっており、出射光に指向性を付与するようにしたことを特徴とする水槽用照明装置。
導光体背面の反射パターン形成領域には導光体の短手方向に稜線を持つ微細プリズムが配列形成されていることを特徴とする請求項１の水槽用照明装置。
前記導光体外周端面の一辺もしくは対向する二辺の近傍に配置された発光ダイオード光源が、発光波長の異なる複数の発光ダイオードを有することを特徴とする請求項１または２記載の水槽用照明装置。