JP2016126951A - Ｌｅｄ照明用カバー及びこれを用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ照明器具において発光効率の向上が必要であり、ＬＥＤ照明用カバーの光透過率についても更なる向上が必要である。【解決手段】ＬＥＤ照明用カバーの表面に、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μmより大きく３．０μm未満である凹凸構造を有することにより光の拡散性と透過率の両立を実現化し、ＬＥＤ照明装置の発光効率の向上を実現した。【選択図】図１

Description

本発明は、照明用カバーに関し、特に、蛍光体励起用発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode)と蛍光体を備えて構成された白色ＬＥＤモジュールを用いた照明装置に適用して有効な技術に関するものである。

照明光源として蛍光灯が広く用いられているが、有害物質である水銀を用いていることや寿命が短いなどの短所がある。このため近年では、有害物質を用いていない、長寿命、発光効率が高いなどの特徴から白色ＬＥＤ(Light Emitting Diode)を用いた照明光源が使用されるようになってきている。白色ＬＥＤを用いた照明においてはこのほかにも次のような利点がある。

（１）直流駆動が可能であるため従来の交流駆動の蛍光灯で発生するちらつきが無く目に優しい。（２）ＬＥＤを用いた照明においては従来の蛍光灯に比べて紫外線の発生量が少なく、人体への影響が少なく、材料劣化を抑えることができる。（３）従来の蛍光灯でも用いられているガラスを使用しないため、万が一天井から落下しても危険が少ない。

このような特徴から、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源に用いて構成された発光素子は、家庭照明や業務用の照明光源として注目され、近年盛んに研究と開発とが進められている。

これら照明光源は、数ｍｍ²程度の大きさの白色ＬＥＤモジュールを複数個並べて構成される。それぞれのモジュールは点光源であり、かつ各モジュールからの光は高輝度であるため、ＬＥＤモジュールを並べただけの構成では、まぶしさやぎらつきが避けられない。そのため通常の照明器具では器具表面側に光を拡散させるセードやグローブと呼ばれる光拡散材を含有する照明カバーを配置することで、発光面内での発光強度の均一化を実現してまぶしさの低減を図っている。しかし、この光拡散材を含有する照明カバーにおいては、光の拡散性を向上させることで発光強度の均一性を図ることができる反面、光の透過率は減少してしまう。このように光拡散性と光透過率とはトレードオフの関係にあるため、光の拡散性と光透過率の両立をはかることが重要課題である。

従来より照明用カバーとしては、ポリカーボート等の透明樹脂に光拡散材微粒子を混合したものが提案されている（特許文献１、特許文献２）。また、光拡散性向上のために照明カバー表面に凸凹構造を形成することが提案されているが(特許文献３、特許文献４）、更なる性能向上が求められている。

特開２０１１−５７９２５号公報 特開２０１３−１３３３４９号公報 特開２０１３−２０９１７号公報 特開２０１２−２２１６２５号公報

本発明においては、高発光効率ＬＥＤ照明装置実現のため、新規な照明カバー構造により、照明用カバーの光拡散性と光透過率の両立を図ることである。

上記課題を解決するため、カバー表面に微細な光拡散性構造を持たせることにより光拡散性と光透過性との両立を実現した。

本発明の一実施の形態であるＬＥＤ照明用カバーの説明図である。 照明用カバーの構造を示す模式的な図面である。 半値角を説明する図面である。 透過率と半値角の関係を示す図面である。 本発明におけるＬＥＤ照明用カバーの一例を示す模式的な図面である。 比較例のＬＥＤ照明用カバー構造を示す図面である。 本発明における照明用カバー構造作成方法の一例を示す模式的な図面である。 本発明におけるＬＥＤ照明用カバー構造を示す図面である。 本発明におけるＬＥＤ照明用カバー構造を示す図面である。 比較例と実施例１における透過率と半値角の関係を示す図面である。 比較例と実施例２における透過率と半値角の関係を示す図面である。 実施例２における表面粗さ（Ｒａ）と透過率変化の関係を示す図面である。 実施例３におけるｄ５０/Ｒａと透過率変化の関係を示す図である。 シーリングライトの構造を示す図面である。 従来構造におけるＬＥＤ照明用カバー構造を示す図面である。 本発明におけるＬＥＤ照明用カバー構造を示す図面である。 シボ構造付き照明カバーの構造を示す図面である。 本発明におけるシボ構造の断面を示す図面である。 本発明におけるシボサイズと透過率変化の関係を示す図面である。 直管型照明の構造を示す図面である。 ベースライトの構造を示す図面である。 電球の構造を示す図面である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明における照明用カバーは、表面に光拡散のための微細な凸凹構造を有することを特徴とし、この凸凹構造の表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）を０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍとすることで光拡散性と光透過性の両立を実現した。照明用カバーの凸凹構造を有する面は光源側に有することが好ましい。さらに好ましくは照明用カバーが可視光領域において透明な材料からなり、必要に応じて光拡散性を有する微粒子を含有する。この場合、光拡散性を有する微粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）は、照明カバー表面の凸凹構造の表面粗さ（Ｒａ）に対して、０＜ｄ５０/Ｒａ＜３．０であることが好ましい。また、照明カバー表面がいわゆるシボ構造を有する場合、シボ構造の最大大きさは70μｍ未満であることが好ましい。必要に応じて、凹凸構造は、ストライプ構造としても良い。
＜本発明における透過率と半値角の関係＞
照明用カバー１の一般的構造を図２に示した。照明用カバー１は、光拡散粒子３が透明樹脂２に分散した構造を有する。入射光（強度Ｉ₁）は照明用カバー１を通過する際に光拡散粒子３により拡散されながら照明用カバー１の外に放出される（出射光：強度Ｉ₂）。入射光が白色ＬＥＤモジュールのような点光源発光であっても、光拡散材の光拡散効果により、照明用カバーの１外に放出される光は光拡散カバー平面内方向での光強度が均一化されるため、まぶしさの低減をはかることできる。この際、光の拡散損失があり、Ｉ₂／Ｉ₁を透過率として定義する。

図３を用いて、光の拡散程度の指標として用いる半値角について説明する。照明用カバー１に垂直な方向から光を入射させる。照明用カバー１の反対側において、照明用カバー垂直方向からの角度をθとし、出射光の強度を測定する。角度θでの光強度をＩ_θ、θ＝０°の時の光強度をＩ₀とした際に、Ｉ_θ＝０．５Ｉ₀となる角度を半値角（θ_0.5）と定義し光の拡散性の指標とする。

図４に、一般的な照明用カバーにおける透過率と半値角との関係を示した。透過率と半値角とはトレードオフの関係にあることが分かる。すなわち、半値角を大きくすることで光の均一性は向上するが、透過率は低下するため照明装置としての明るさが低下することになる。本発明では、照明用カバーの表面に光拡散構造を設けることにより、透過率と半値角の両立を実現した。
＜本発明の特徴＞
図１に示したように発明の特徴のひとつは、照明用カバーの表面に微細な凸凹構造からなる光拡散構造４を有することである。この凸凹構造の表面粗さ（算術平均粗さ：Ｒａ）を「０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍ」とすることである。従来の照明用カバーにも表面に凸凹構造を有するものがあったが、凸凹のサイズが数百μｍ程度であるため光源から放射される可視光の波長(数１００ｎｍ)に比べてかなり大きい構造のため光拡散の効率が悪く、照明用カバーを光が透過する際の損失が大きい。これに対して本発明においては、凸凹構造の表面粗さ（Ｒａ）が「０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍ」の範囲であり、光源から放射される可視光の波長(数１００ｎｍ)に近い値であるため、ミー散乱による前方散乱が効率的に起きるために光拡散カバーを光が透過する際の損失を小さく抑えることができる。

さらに、図５に示したように照明用カバーが可視光領域における透明な材料と光拡散性を有する粒子を含有する場合には、光拡散性を有する粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）が、照明カバー表面の微細な凸凹構造の表面粗さ（Ｒａ）に対して「０＜ｄ５０/Ｒａ＜３．０」であることが好ましい。特に好ましくは、「１≦ｄ５０/Ｒａ≦２７」であり、さらに好ましくは「３≦ｄ５０/Ｒａ≦２３」である。

この構成により、照明用カバーへの入射光のうち、短波長成分が照明用カバー表面にある微細な凸凹構造により、また長波長成分は照明用カバー内の光拡散性微粒子により効率よく光が拡散される。また、照明用カバーへのＬＥＤ光入射時の反射率低減効果も発生する。
＜照明用カバーの作製方法＞
本発明の照明用カバーの作製方法について説明する。

透明樹脂２に光拡散粒子３を混合した照明用カバー１を作製した。透明樹脂２としては、アクリル樹脂、スチロール樹脂、アクリロニトリル−スチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル樹脂、ポリスチレン樹脂のほかシリコーン樹脂等を用いることができ。光拡散粒子３としては、シリカ、炭酸カルシウム、硫酸バリウム等の無機微粒子をはじめ、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂等の微粒子を用いることが可能である。光拡散粒子３の粒子径（メディアン径：ｄ５０）は、１−２０μｍ程度が好ましい。

透明樹脂２として熱可塑性材料を用いる場合には、スクリュー式押し出し機等を用いて、透明樹脂２と光拡散粒子３を２５０〜３５０℃程度で加熱しながら混合、押し出し成型により所望の形を形成することが可能である。さらに必要に応じて射出成型や圧空成型等により所望の形に形成可能である。サンドブラスト、シボエッチング等により微細な凸凹構造を形成された成型型やダイを用いることにより、本発明の光拡散構造４を有する照明用カバー１が作成可能である。微細な凸凹構造は照明用カバー１の成型後にサンドブラスト等により後から形成することも可能である。また、必要に応じてシボ構造への加工も可能である
次に、比較例及び実施例について説明する。
（比較例）
従来方法を用いて図６に示した照明用カバーを以下の方法により作製した。透明樹脂としてポリメチルメタクリレート樹脂を、光拡散粒子として粒径（ｄ５０）が１−２０μｍのポリスチレン系微粒子を用い、両者の混合物を準備した。混合物における光拡散粒子の体積濃度(充填率）を１〜５重量％になるように調合し、透明樹脂と光拡散粒子をスクリュー式押し出し機を用いて加熱混合、成型することで厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍの厚さの異なる照明用カバーを作製した。これらのカバーについて市販のヘーズメータ、ゴニオフォトメータを用いて透過率および半値角を測定し、以下に示す実施例に対するレファレンスとした。

比較例において作製した照明用カバーの片方の表面に微細な凹凸構造からなる光拡散構造４を形成した照明用カバー(図８)を図７に示した以下の方法で作製した。

サンドブラスト加工により、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ〜３．０μｍの値をもつ凹凸面を有する賦形用型６を作製した。材質としては一般的な金型用鋼材を用いた。比較例に記載の方法で作製した照明用カバー５の光拡散構造賦形面と賦形用型６の凹凸面を対向するように配置して両者を徐々に接近させた(図７（Ａ）)。この際、賦形用型６を１２０〜１８０℃に適宜調整し、賦形用型６と照明用カバー５に適宜圧力をかけた(図７（Ｂ）)。一定時間放置した後、両者を剥離することにより賦形用型６の凸凹構造を照明用カバー５の表面に転写し、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ〜３．０μｍの値をもつ光拡散構造４を賦与した照明用カバー７を作製した(図７（Ｃ）)。

図８に示すように、照明用カバー５の非賦形面側から光を入射した際の透過率−半値角特性を測定した(図１０)。凹凸面を有さない比較例と比較して、同一半値角での実施例１の透過率は低下した。

比較例において作製した照明用カバーの片方の表面に表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ〜３．０μｍの値をもつ微細な凹凸構造からなる光拡散構造４を形成した照明用カバー(図９)を実施例１と同様な方法で作製した。図９に示したように、照明用カバー５の賦形面側から光を入射した際の透過率−半値角特性を測定した(図１１)。凹凸面を有さない比較例と比較して、同一半値角における透過率が向上した。

実施例１、２により、（１）光拡散構造４を有する照明用カバー５の凹凸構造を有する面から光が入射した際には、同一半値角の透過率が向上すること、（２）光拡散構造４を有する照明用カバー５の凹凸構造を有する面と反対の面から光が入射した際には、同一半値角の透過率が向上しないこと、が分かった。よって、照明用カバー５の断面を見た場合、曲面構造の内周側に凹凸構造を有する必要がある。

比較例と実施例１における照明カバーの、同一半値角における透過率の差（実施例１での透過率−比較例での透過率）を透過率変化と定義する。

本照明カバーにおける光拡散構造面の表面粗さ（Ｒａ）と透過率変化の関係を図１２に示した。

表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍの範囲で透過率変化は正の値となり、照明カバーの損失低減が実現できた。

実施例１において照明用カバー内の光拡散性を有する粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）と、照明カバー表面の微細な凸凹構造の表面粗さ（Ｒａ）を「０≦ｄ５０/Ｒａ≦３．０の範囲で振った照明カバーを作製した。本照明カバーの賦形面側から光を入射した際の透過率−半値角特性を測定した。比較例と実施例１における照明カバーの、同一半値角における透過率の差（実施例２での透過率−比較例での透過率）を透過率変化と定義する。

本照明カバーにおけるｄ５０/Ｒａの値と透過率変化の関係を図１３に示した。０＜ｄ５０/Ｒａ＜３．０の範囲で透過率変化は正の値となり、照明カバーの損失低減が実現できた。

図１４に示したシーリングライトを作製した。本シーリングライトは複数のＬＥＤモジュール９を搭載したＬＥＤ搭載基板１０を覆うようにシーリングライト用カバー８が筐体１１に設置されており、シーリングライト用カバー８は曲面構造を有する。シーリングライト用カバー８の断面構造として、図１６に示した光拡散構造４を付与し、光拡散構造４をもつ面がＬＥＤモジュール９側に来るように設置した。この際、表面粗さ（Ｒａ）が０．３μｍ〜３．０μｍの値をもつ微細な凹凸構造からなる光拡散構造４とした。比較のため従来構造として、図１５に示した光拡散構造を有さない従来型の照明用カバー１２も作製し、透過率−半値角特性の比較を行った。本実施例のシーリングライトと同一の半値角特性を有する従来構造との透過率を比較したところ、光拡散構造の表面粗さ（Ｒａ）を０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍとすることで発光効率向上が実現でき、最大４％の向上を実現した。

実施例４において、照明用カバーの表面に、図１７に示した二次元模様である、いわゆるシボ構造１４を有する照明用カバー１５を形成した。図１８は、シボ構造の断面図であり、山谷部の大きさ(長さ)をそれぞれＬ１、Ｌ２とする。また、シボ表面はより微細な凹凸からなる光拡散構造４を有している。Ｌ１およびＬ２の長さとしては1〜500μｍ、光拡散構造４の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ〜３．０μｍとした。光拡散構造４をもつ面がＬＥＤモジュール９側に来るように照明用カバーを設置した。

比較のため従来構造として、図１５に示した光拡散構造を有さない従来型の照明用カバー１２も作製し、透過率−半値角特性の比較を行った。本実施例のシーリングライトと同一の半値角での透過率を比較した。一例としてＲａ＝１．５μｍの試料における透過率変化とシボサイズの関係を図１９に示した。Ｌ１とＬ２のうち大きいほうの値をシボサイズと定義する。シボサイズが１μｍ以上７０μｍ未満において透過率変化の向上が見られた。

図２０に示した直管型ＬＥＤ照明を作製した。本直管型照明は複数のＬＥＤモジュール９を搭載したＬＥＤ搭載基板１０を覆うように直管型照明用カバー１６が設置されており、直管型照明用カバー１６はほぼ円筒形状の構造を有する。さらに給電部１７を有している。直管型照明用カバー１６の断面構造として、図１６に示した光拡散構造を付与した構造とした。光拡散構造４の表面粗さ（Ｒａ）は「０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍ」とした。光拡散構造４をもつ面がＬＥＤモジュール９側に来るように照明用カバーを設置した。比較のため従来構造として、図１５に示した光拡散構造を有さない従来型の照明用カバー１２も作製し、透過率−半値角特性の比較を行った。本実施例の直管型ＬＥＤ照明と同一の半値角特性を有する従来構造との透過率を比較したところ、本発明により最大で約３％の透過率向上が実現できた。

図１６において、照明用カバー（光拡散構造賦与）７の片面に光拡散構造４が設けられている。この光拡散構造４は、円筒形状を有する直管型照明用カバー１６において、凹凸構造が円筒形状の長軸方向に沿って設けられたものである。

図２１に示したベースライトを作製した。ベースライトは複数のＬＥＤモジュール９を搭載したＬＥＤ搭載基板１０を覆うようにべースライト用カバー１８が設置されており、べースライト用カバー１８は断面が曲面形状の構造を有する。

べースライト用カバー１８の断面構造として、図１６に示した光拡散構造４を付与した照明用カバー１８を作製した。光拡散構造４の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ〜３．０μｍとした。光拡散構造４をもつ面がＬＥＤモジュール９側に来るように照明用カバーを設置した。比較のため従来構造として、図１５に示した光拡散構造を有さない従来型の照明用カバー１２も作製し、透過率−半値角特性の比較を行った。本実施例のべースライトと同一の半値角特性を有する従来構造との透過率を比較したところ、本発明により最大約３％の透過率向上が実現できた。

図１６において、べースライト用カバー１８の片面に光拡散構造４が設けられている。この光拡散構造４は、半円筒形状のべースライト用カバー１８において、凹凸構造が半円筒形状の長軸方向に沿って設けられたものである。

図２２に示した電球を作製した。電球はＬＥＤモジュール９を搭載したＬＥＤ搭載基板１０を覆うように電球用カバー２１が設置されており、電球用カバー２１は断面が曲面形状の構造を有する。また電球は放熱部１９と口金２０を有する。

電球用カバー２１の断面構造として、図１６に示した光拡散構造を付与した照明用カバー１３を作製した。光拡散構造４の表面粗さ（Ｒａ）は０．３μｍ〜３．０μｍとした。光拡散構造４をもつ面がＬＥＤモジュール９側に来るように照明用カバーを設置した。比較のため従来構造として、図１５に示した光拡散構造を有さない従来型の照明用カバー１２も作製し、透過率−半値角特性の比較を行った。本実施例の電球と同一の半値角特性を有する従来構造との透過率を比較したところ、本発明により約４％の発光効率向上が実現できた。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明のＬＥＤ照明用カバーは、シーリングライトを始め、直管型照明、ベースライト、電球型照明など各種照明用として広く適用することができる。

１…照明用カバー、２…透明樹脂、３…光拡散粒子、４…光拡散構造、５…照明用カバー
６…賦形用型、７…照明用カバー（光拡散構造賦与）、８…シーリングライト用カバー
９…ＬＥＤモジュール、１０…ＬＥＤ搭載基板、１１…筐体、１２…照明用カバー
１３…照明用カバー（光拡散構造賦与）、１４…シボ構造
１５…照明用カバー（シボ構造付き）、１６…直管型照明用カバー、１７…給電部
１８…ベースライト用カバー、１９…放熱部、２０…口金、２１…電球用カバー

Claims (10)

1. 表面に、表面粗さ(Ｒａ)が、０．３μｍ＜Ｒａ＜３．０μｍで表わされる凹凸構造を有するＬＥＤ照明用カバー。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記ＬＥＤ照明用カバーの断面は曲面構造を有し、
   前記凹凸構造は、前記曲面構造の内周側に設けられているＬＥＤ照明カバー。
3. 請求項１または２に記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記ＬＥＤ照明用カバーは筒形で形成され、
   前記凹凸構造は、前記筒形の長軸方向に沿って設けられているＬＥＤ照明カバー。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   表面に、シボ構造を有し、
   前記シボ構造の表面に前記凹凸構造を有するＬＥＤ照明用カバー。
5. 請求項４に記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記シボの大きさは１μｍ以上７０μｍ未満であるＬＥＤ照明用カバー。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   透明樹脂と、
   前記透明樹脂に分散した光拡散粒子と、を有し、
   前記光拡散粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）と、前記表面粗さ（Ｒａ）が、０＜ｄ５０/Ｒａ＜３．０の関係にあるＬＥＤ照明用カバー。
7. 請求項６に記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記光拡散粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）と、前記表面粗さ（Ｒａ）が、１＜ｄ５０/Ｒａ＜２７の関係にあるＬＥＤ照明用カバー。
8. 請求項６に記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記光拡散粒子の粒子径（メディアン径：ｄ５０）と、前記表面粗さ（Ｒａ）が、３＜ｄ５０/Ｒａ＜２３の関係にあるＬＥＤ照明用カバー。
9. 請求項６乃至８のいずれかに記載のＬＥＤ照明用カバーであって、
   前記透明樹脂がアクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂であり、
   前記光拡散粒子がシリカ、炭酸カルシウム、アクリル樹脂、スチレン樹脂のうちの少なくとも１つを含むＬＥＤ照明用カバー。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載のＬＥＤ照明用カバーと、
    ＬＥＤと、を有し、
    前記ＬＥＤ照明用カバーは前記ＬＥＤを覆うように配置され、かつ前記ＬＥＤに対向する面に凹凸構造を有する照明装置。