JP5967596B1 - 直管型ｌｅｄ照明用カバーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特定波長の光の明るさが減少することがなく、且つ、光の取り出し効率を向上させることができるカバーを備えた、調色、調光が可能な直管型ＬＥＤ照明装置を提供する。【解決手段】表面を鏡面に仕上げたアルミニウムの架台３により反射効率を高め、内面にレンチュキュラー状の凹凸の彫刻を施したポリカーボネート樹脂筒型外殻１により拡散光を出射させて全反射による光束のロスを減らす。さらに前記外殻には、平均粒径が３０ｎｍ以下のシリカの分散液を浸漬塗布して、ＬＥＤモジュール５からの出射光の分光分布に対応した特定波長近辺の光の透過率を向上させる。【選択図】図２

Description

本発明は直管型ＬＥＤ照明用に使用される照明用カバーの光学性能の改良、更に詳しくは、水密性と直管内部の放熱に優れたＬＥＤ照明モジュールの架台として鏡面に仕上げたアルミニウムを使用して反射効率を高め、拡散光が出射されるＬＥＤ照明モジュール側の内面にレンチュキュラー状の凹凸を彫刻を施し、全反射による光束のロスを減らし、さらにＬＥＤ照明モジュールの出射光の波長と光の強度の分布（波長分散という）に対応して特定波長領域の透過率を向上させ、ＬＥＤ照明の光取出しの効率を可能な限り向上したＬＥＤ直管照明カバーの構造に関するものである。

ＬＥＤ照明は低消費電力と長寿命の性能から多様な照明空間で使用され、低消費電力化が完全に定着している。
最近はＬＥＤ照明の光の波長をコントロールして特徴のある植物成長、肉野菜の色合い演出など照明バリエーションが豊富になってきている。

直管型照明用ＬＥＤチップは従来の青色ＬＥＤ光と黄色蛍光体使用したＳＭＤ型白色ＬＥＤテープが主流であるが、最近は可視光領域でのフルカラー化したＬＥＤチップが照明用に利用される傾向が強まっている。
更に、多様な空間のなかで、快適な生活環境、業務作業環境を求める照明の役割が大きくなっている。

これに対応して、１日の時間の変化に応じた調色調光を提供するサーカーデイアン（Ｃｉｒｃａｄｉａｎ）照明のニーズがイベントホール、病院等の公共空間は言うに及ばず、オフィス等の専用空間、更に一般家庭の生活環境下でＬＥＤ照明に求められる時代に入った。
ＬＥＤ照明の強度、色合いをワイヤレスリモコンで調整できる照明システムの普及など、従来の白色ＬＥＤ照明とは異なるＬＥＤ照明の調色、調光がさらに身近なものとなって来ている。

この背景から、ＬＥＤ調光の国際規格であるＤＡＬＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ＩＥＣ−６２３８６−２０７）を採用した国内照明メーカーのサーカーデイアン照明の提案が増加してきている。

直管型ＬＥＤ照明の調色調光の課題としては、ＬＥＤ照明のフルカラー化に伴い特定波長の光の明るさ（照度）が減少する事である。
つまり、フルカラーＬＥＤ光の波長分散の変動が大きいため、調光により特定の調光色が他の色と比較して極端に暗い色が発現する可能性が大きい事である。
従って、直管型ＬＥＤ照明用の筐体、カバーについても光源ＬＥＤチップの光の取出し効率を妨げない事が重要となる。

直管型白色ＬＥＤ照明の場合は光源ＬＥＤチップの直管外への光取出し効率はで８５％以下であり、直管内で全反射等で損失される光が１５％以上になるという課題がある。
フルカラー化によりさらに損失は増加するので、調色、調光型のＬＥＤ照明の光損失を出来るだけ抑え、光の取出し効率を９５％以上、好ましくは９７％以上にすることが望ましい。

従来技術

直管型ＬＥＤ照明でＬＥＤ照明モジュールの保持体としてアルミニウムを使用する事は先行特許文献に存在するが、保持体表面を反射板として利用する事は先行特許文献が見当たらない。

長尺で筒型の樹脂からなる外殻を有し内部にＬＥＤ照明モジュールを配置したＬＥＤ照明直管の内面に凹凸の腑形を施すことは特許文献１及び特許文献７に記載がある。
特許文献１はＬＥＤ照射角度を広げるために、乱反射目的のための半円状の凹凸をＬＥＤモジュールが搭載された面側の内面に有する照明器具が示されている。しかし反射板の形状が複雑であり、半円状の凹凸の彫刻方法など、具体的な寸法と光取出し効果についての改善記録の記載がない。

更に特許文献７は光出射側内面にプリズム透明シートを配置して光の出射角度を広げる事を記載しているが、プリズムシートの寸法、固定方法、さらに光取出し効率の記載はない。
さらに特許文献１、特許文献７とも長尺で筒型の樹脂からなる外殻を有するが、複数のＬＥＤ照明の配列をベースとしている。

具体的な凹凸腑形の寸法については特許文献５に記載されている。
シリンドリカル状の単位レンズ列が複数並列されたレンチキュラー状の凹凸構造が設けられた拡散シートをＬＥＤ照明器具に提供するものであり、形状、寸法、ピッチ直下照度の記載があるが、直管構造には不向きであり、レンチキュラーは透明フイルムに金属腑形彫刻ローラーとゴムローラー間の接圧方式によって腑形されるものであり、液晶バックライトの輝度向上フイルムとして遍く使用されている。

特許文献２、特許文献３、は金属と樹脂のＬＥＤ照明直管であり、光の出射側である樹脂側に凹凸を形成するとの記載がある。凹凸の目的は直接光量の調節して光を確実に拡散し、綺麗で水密性に優れた照明直管を提供する事にある。
特許文献３には凹凸を長手方向の凹凸は割れやすいとの記載があり、内面周方向に沿って連続的に加工できるプレス転写方法を用いている。

しかし、いずれも筒型の樹脂外殻ではなく、半円樹脂と半円金属のスライド嵌合方式であり、金属を反射板として使用するとの記載はなく、ＬＥＤ照明の光取出しの向上についての記載はない。

特許文献４は透明樹脂ライトチューブに導光溝を設け光がライトチューブ表面に複数の光の円弧を発生させ、視覚上の美観効果を狙っている。 導光溝の寸法など説明はなく、反射板はライトチューブの外にある灯具の壁側にあり、直管内部に金属反射機能は有していない。

直管型ＬＥＤ照明カバーであるポリカーボネート樹脂の屈折率は約１．５８であり空気との界面で約５％の光が反射される。 界面は入射側と出射側の２界面があり、理論的には直管カバーの場合は約１０％の光が反射で損失となり、ＬＥＤ照明の光の透過率が９０％以下になる。
さらにＬＥＤチップからの光の出射角度（配光角）による全反射等によって更に透過率が下がり、直管型白色ＬＥＤ照明の場合は前述のごとく透過率が８５％以下となる。

従って反射による損失を減少させるためには屈折率が低い透明の樹脂を筒型ポリカーボネ樹脂にコーテイングすると空気との屈折率差が減少して、結果的に透過率が増加することは光学的に公知の理論である。

コーテイングを設計する際は、薄膜の上側の境界面と下層（下側）の境界面で各々反射したビームが１８０度の相対的位相のずれが生じる様にする。 更に詳しくは、２本の反射ビーム間に１／２波長の光路差をつければ、減殺的干渉が生じ、お互いのビームが打消し合い、反射防止の効果が発現する事は光学的に周知である。

この減殺干渉を生じるコーテイング膜厚は光の可視光波長の１／４ｎｍ（ナノメートル）の奇数倍であれば、２本の反射ビーム間に１／２波長の光路差を生じる事となり光の波は打消し合う事になる。

プラスチックにコーテイングが出来る低屈折率剤としては、屈折率が１．３近辺の樹脂が数多く提案されている。
シリカなどの無機粒子、エチルシリケーと系のガラス膜、スチレン、アクリル等の低屈折率の有機微粒子等が反射防止コーテイング剤として広く使われており、ポリカーボネート樹脂に易接着なコーテイング剤を選択できる。

直管型ＬＥＤ照明カバー及び蛍光灯照明についても、光取出しの効率を向上させるためらず、ポリカーボネート樹脂ＬＥＤ照明カバー用にポリカーボネート樹脂より低屈折率のコーテイング材料を塗布する特許文献も見当たらない。

特許第５６００２８２号公報 特許第５３５４７３７号公報 特許第５４５５５１１号公報 実用新案登録 第３１０２０８３号公報 ＷＯ−２０１２／１４７６５３号公報 実用新案登録 第３１６２８２４号公報 実用新案登録 第３１７２９２４号公報

本発明は直管型ＬＥＤ照明の光源の直管外への光取出し効率が低いという課題を解決するためのものである。直管型白色ＬＥＤ照明の場合は光の取出し効率は８５％以下であり、直管内で全反射で損失される光が１５％以上になるという課題がある。
調色、調光型のフルカラーＬＥＤ照明の場合は出射光の波長によってはさらに光損失が大きくなる課題があり、光の取出し効率は９５％以上、好ましくは９７％％以上にすることが望ましい。
本発明は上記光取出し効率の課題を改善すべきものである。

本発明は上記課題を達成するために鋭意検討した結果、筒型の外殻はポリカーボネート樹脂とし、ＬＥＤ照明モジュールの架台を鏡面に仕上げたアルミニウムを使用することが望ましいことが分かった。
鏡面に仕上げたアルミニウムは平面部分は少なくてもＬＥＤ照明モジュール幅の１．５倍以上であれば光の取出し効率が向上することが実験によって分かった。

ポリカーボネート樹脂は光拡散剤、紫外線吸収剤、難燃剤が練り込まれたタイプが好ましく、溶融押出し成型が可能であるグレードが好ましい。 さらに青色吸収の分光特性を改善した他の樹脂との共重合型であれば更に好ましい。
一方、アルミニウムは純アルミ純成分が９９％以上のものを使えば反射率が高くなり、結果的に光取出し効率が高くなる。
推奨できるアルミニウムの銘柄としては＃１０５０、＃１１００，＃５０５２，＃６０６３などがある。

更に、拡散光が出射されるＬＥＤ照明モジュール側の内面にピッチが０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、深さが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍのレンチュキュラー状の凹凸を腑形することで内面での全反射を軽減できことが分かった。
当該レンチュキュラー状の凹凸はポリカーボネート樹脂を押し出し成型金型で彫刻が可能であり、好ましくはピッチが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ、深さが０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲が良い。

一般に可視光は紫色から赤色４４０ｎｍ〜７２０ｎｍの波長範囲であり、減殺的光干渉の発現する１／４波長は１１０ｎｍ〜１８０ｎｍの範囲となる。
しかしこの膜厚は薄すぎてコーテイングのバラツキが多く、不向きである。
従って、この厚みの奇数倍 ３倍：３３０ｎｍ〜５４０ｎｍ、５倍：５５０ｎｍ〜９００ｎｍ、７倍：７７０ｎｍ〜１２６０ｎｍの範囲が現実的な膜厚コントロールの範囲であり、結果的に３３０ｎｍ〜１２６０ｎｍの範囲が望ましいという事になる。

ポリカーボネート樹脂からなる外殻の内外両面に平均粒径が３０ｎｍ以下のシリカ（ＳｉＯ２）の分散液を浸漬塗布して、乾燥後の膜厚をＬＥＤ出射光の波長分散に合わせて３３０ｎｍ（ナノメートル）から１２６０ｎｍに調整することで可視光領域で減殺的光干渉を発現させ、特定波長近辺の透過率を向上させることが可能であり、全波長合算の照度アップにも繋がる。
上記分散液は外殻（ポリカーボネート樹脂 屈折率：１．５８）の屈折率より低屈折率が好ましく、屈折率が１．３〜１．４平均粒径が上記膜厚の１／１０以下、即ち３０ｎｍ以下である事が９０％以上の透過率の実現と塗膜密着性の点から好ましい。

本発明の対象は直管型ＬＥＤ照明用カバーとしているが、平板状のベースライト用ＬＥＤ照明カバーにも光取出し効率を向上できる事は明らかである。
さらにＬＥＤ照明モジュールの配置は直下ライト方式、或いはエッジライト方式の何れにも有効である。

本発明の直管型ＬＥＤ照明用カバーは単純な構造で優れたＬＥＤ光の光取出し性能を発揮する事が可能である。
つまり、ＬＥＤ照明モジュールの架台を鏡面に仕上げたアルミニウムを使用し、架台幅をＬＥＤ照明モジュール幅の１．５倍以上とする事、拡散光が出射されるＬＥＤ照明モジュール側の内面にピッチが０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ、深さが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍのレンチュキュラー状の凹凸を彫刻を腑形することで内面での全反射を軽減でき、更にコーテイングによってＬＥＤ光源の波長分散に対応した特定波長の透過率を向上する事が可能となった。
本発明の効果としては両技術手段によって、全体で２０％以上の光取出し効率のアップが可能である。

以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。本発明はこれにより何ら限定を受けるものではない。

図１、図２に示す様に、光拡散性ポリカーボネート樹脂（帝人ＭＬ−６１０５）を外径２６ｍｍφ寸法の金型で肉厚１ｍｍの筒型長尺カバー１を押し出し成型によって作成した。長さ１ｍの本直管カバーの内面の長手方向にアルミニウム架台３（＃６０６３ 純アルミ成分：９９．３５％）をスライド爪２に挿入できるようにして、架台平面部にＬＥＤ照明モジュール５を設置した。
アルミ架台の表面はバフ仕上げによる鏡面加工を施したものと、比較用としてアルマイト仕上げたアルマイト加工の２種類とし、アルミニウム架台の台幅４を２０ｍｍに固定し、ＬＥＤ照明モジュールを白色、青色、緑色の３水準とした。

断面内部のアルミニウム架台平面上の白色ＬＥＤ照明モジュール（ＬＥＤモジュール基板幅９ｍｍ、ＳＭＤ型３５２８ＬＥＤテープ：ホワイト色１２０チップ／メートル １２ボルト，消費電力９．６ワット）配置した。
外部環境の光を無視できる状態で、直管から垂直距離１メートル上部の位置で点灯して、長さ１ｍに沿って照度計にて照度化（Ｌｘ）を１０点測定しその平均値を求めた。
結果は照度の測定結果に示す通り、鏡面の照度はアルマイト面に比較して高く、アルミニウム鏡面の場合の照度は１２０Ｌｘを示した。

同様にＬＥＤモジュールを青色（ＬＥＤモジュール基板幅９ｍｍ、ＳＭＤ型３５２８ＬＥＤテープ：ブルー色１２０チップ／メートル １２ボルト，消費電力９．６ワット）、および緑色（ＬＥＤチップ基板幅９ｍｍ、ＳＭＤ型３５２８ＬＥＤテープ：グリーンー色１２０チップ／メートル １２ボルト，消費電力９．６ワット）について同条件下で各々照度を測定した結果、アルミニウム鏡面の場合の照度は緑色ＬＥＤモジュールで最高値１２２Ｌｘを示した。
青色ＬＥＤモジュールは光の照度が非常に弱い値であるが、鏡面とアルマイト面での優位差がある事が確認できた。

アルミニウム架台の台幅を１５ｍｍに変更した以外は実施例１に準ずる。
アルミニウム鏡面で白色ＬＥＤモジュールの場合の照度は１１７Ｌｘであり、同アルマイト面の場合は１１５Ｌｘであった。緑色ＬＥＤモジュールの場合１１８Ｌｘであり、同アルマイト面の場合は１１６Ｌｘであった。

比較例１

アルミニウム架台の台幅を１０ｍｍに変更した以外は実施例１に準ずる。
アルミニウム鏡面で白色、緑色ＬＥＤモジュールの照度は各々１１３Ｌｘまで減少した。
表１の照度測定の結果から、アルミニウム架台の表面が鏡面であり、モジュール幅の少なくても１．５倍以上を有する条件が光取出し効率がよい。

拡散光が出射されるＬＥＤ照明モジュール側の内面にピッチが０．６ｍｍ、深さが０．２ｍｍのレンチュキュラー状の凹凸部７を有する事以外は実施例１と同一条件とした。
レンチュキュラー状の凹凸形状は押出し金型の設計技術で精度よく成型可能であった。
アルミニウム架台幅を鏡面で台幅２０ｍｍとして実施例１と同条件にてＬＥＤ照明を点灯して、照度（Ｌｘ）を測定した。
結果は白色ＬＥＤモジュールでは１３０Ｌｘ、緑色ＬＥＤでは１４０Ｌｘとなりレンチュキュラー状の凹凸部７によって波長によっては白色で８％、緑色で１４％の照度の向上が実現した。

実施例３で使用したレンチュキュラー状の凹凸部７を有する直管１ｍ長を準備。
塗液：ジャパンナノコート社製シリカ分散液（商品名Ｂ−１平均粒径１０ｎｍ以下の結晶シリカ（ＳｉＯ２）、屈折率１．３３、希釈固形分２０重量％（メタノール希釈）を選択した。
本塗液を満たしたバスに直管を浸漬塗布して内外両面に塗布した。常温で乾燥して黄緑色の波長（波長５６０ｎｍ近辺）の減殺光干渉を狙い、両面総厚みを８４０ｎｍ（片面：４２０ｎｍ）とした。 片面４２０ｎｍの根拠は５６０ｎｍ ｘ（１／４）ｘ３（奇数倍ｎ＝３）＝４２０ｎｍである。
結果は白色ＬＥＤモジュール（ピーク強度５６５ｎｍ）では１４６Ｌｘ、緑色ＬＥＤ（ピーク強度５４０ｎｍ）では１５５Ｌｘとなり，減殺的光干渉コーテイングによってさらに約１０％照度の向上が確認され、光取出し効率が改善した。

本文及び実施例に記載の光学特性また測定方法について記載する
（１）照度
照度計（ＩＳＯ−ＴＥＣＨ社 ＩＬＭ１３３２Ａ）を使用した。
（２）屈折率
株式会社アタゴ製「アッベ屈折計ＮＡＲ−２Ｔ」測定波長：５５０ｎｍ（ナノメー トル）で測定した。
（３）波長分散定義
各色のＬＥＤチップの分光放射強度または放射エネルギーと波長（可視光領域）の 分布グラフであり、ピーク値を１００に正規化したものである。
（４）乾燥後の直管塗布厚みの測定
直管を中央部を半割りにして、（株）リガク「携帯型成分分析計ＸＬ３ｔシリコン ドラフト検出器」にＳｉピーク強度をカウントして両面総厚みを測定する。

直管型ＬＥＤ照明において多様化する光学特性ニーズに対応できる筐体、カバーに関する。

ＬＥＤモジュールのフルカラー化に対応した高い光取出し技術分野に関する。

ポリカーボネート樹脂の外殻 断面図 鏡面に磨いたアルミニウム架台にＬＥＤ照明モジュールを配置した断面図 図２でＬＥＤモジュール側内面にレンチキュラー状凹凸を彫刻した断面図 図１で当該外殻の内外面にコーテイングを実施した斜視図

１．ポリカーボネート樹脂筒型外殻
２．スライド爪部
３．鏡面アルミニウム架台
４．鏡面アルミニウム架台幅
５．ＬＥＤ照明モジュール
６．ＬＥＤ照明モジュール幅
７．レンチキュラー状の凹凸部
８．コーテイング実施内面
９．コーテイング実施外面

Claims (1)

1. ポリカーボネート樹脂からなる外殻の内外両面に平均粒径が１０ｎｍ（ナノメートル）以下のシリカ（ＳｉＯ２）の分散液を浸漬塗布乾燥して、ＬＥＤ出射光の特定波長に合わせ、その膜厚が３３０ｎｍ（ナノメートル）から１２６０ｎｍの範囲からなる減殺的光干渉によって、特定波長近辺の透過率を向上させることが可能な直管型ＬＥＤ照明カバーの製造方法。

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