JPWO2013118206A1 - Ledランプ用の透光性外郭部材 - Google Patents

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Abstract

LEDランプのボディ部の一端にはE型の口金が取り付けられ、ボディ部の他端には白色光を出射するLEDモジュールおよびこれを覆うグローブが取り付けられている。グローブは、透光性基材を含み、透光性基材の内部に光散乱材およびネオジムガラス粒子が分散されている。

Description

本発明は、LEDランプ用の透光性外郭部材に関し、特に、透光性外郭部材の材質に関する。
近年、電球形、直管形あるいは円環形のLEDランプが利用されてきている。LEDランプの多くは、グレアの防止や水分や塵からの保護など種々の目的で、乳白色の透光性外郭部材を備えている。例えば、電球形のLEDランプではLEDモジュールを覆う半球状のグローブがこれに当たり、直管形あるいは円環形のLEDランプではLEDモジュールを収容する管状の部材がこれに当たる。この種の透光性外郭部材は、半球状や管状など特定形状に成形された透光性基材と、この透光性基材内に分散された光散乱材とからなる。LEDモジュールの出射光は、光散乱材で散乱されながら透光性外郭部材を通過して外部に出射される。
ところで、照明分野では、光に照らされた物体の色が自然に見えること、即ち、演色性が高いことが求められる場合がある。そのため、従来からLEDランプの演色性を向上させる技術が種々提案されている。例えば、特許文献1には、LEDモジュール内に光吸収材としてネオジムガラス粒子を分散させ、ネオジムガラス粒子に特定の波長域の光を吸収させることにより、演色性を高める技術が提案されている。なお、演色性の評価方法は、JIS Z8726に規定されている。
特許第4809508号
一般に、高い演色性の必要性はLEDランプの利用環境に応じて異なる。例えば、店舗では商品の色が自然に見えるように、LEDランプの演色性は高いほうが好まれる。一方、オフィスでは明るささえ確保できれば、LEDランプの演色性はさほど重要視されないことが多い。そのため、明るさや形状が同じでも、高演色性のLEDランプと通常の演色性のLEDランプの2種類が用意されているほうが利用者にとって利便性が高い。したがって、LEDランプの製造者が、高演色性のLEDモジュールと通常の演色性のLEDモジュールの2種類を製造あるいは購入し、それらを用いて高演色性のLEDランプと通常の演色性のLEDランプをそれぞれ製造し、販売する、ということが考えられる。
しかしながら、LEDモジュールはLEDランプを構成する部品の中でも高価な部品なので、2種類のLEDモジュールを在庫に抱えることはできるだけ回避したい。
そこで、本発明は、通常の演色性のLEDモジュールを用いても、高演色性のLEDランプを得ることができる、LEDランプ用の透光性外郭部材を提供することを目的とする。
本発明に係るLEDランプ用の透光性外郭部材は、ネオジムイオンを含むネオジムガラス粒子と、光散乱材と、を含む。
上記構成によれば、演色性を高めるためのネオジムガラス粒子が透光性外郭部材に含まれている。したがって、この透光性外郭部材をLEDランプに用いれば、通常の演色性のLEDモジュールを用いても、高い演色性のLEDランプを得ることができる。
本発明の実施形態に係る透光性外郭部材を用いたLEDランプの構成を示す一部切欠き側面図 透光性基材の内部に光散乱材およびネオジムガラス粒子が分散されており、ネオジムガラス粒子中にネオジムがイオンの状態で存在している様子を模式的に示す図 比較例S1〜S4および実施例S5〜S7の分光スペクトルの測定結果を示す図 比較例S1の発光強度を100としたときの比較例S2〜S4および実施例S5〜S7の発光強度の割合を示す図 LEDランプの発光効率および演色性を評価するための各種指標の測定結果を示す図 演色性を評価するための各種指標と光束比との関係を示す図であり、(a)は平均演色評価数Ra、(b)は特殊演色評価数R9、(c)は特殊演色評価数R15、(d)は色域面積比Ga4を示す図 図6のグラフの基となるデータを示す図 ネオジムガラス粒子の吸収係数の測定結果、ネオジムガラス板の吸収係数の測定結果、および、これらの吸収係数比の計算結果を示す図 比較例S11〜S14および実施例S15〜S17の分光スペクトルの測定結果を示す図 LEDランプの発光効率および演色性を評価するための各種指標の測定結果を示す図 透光性外郭部材の構造の変形例を説明するための図であり、(a)は断面図、(b)〜(j)は図中のA部の模式図 透光性外郭部材の構成材料の変形例を説明するための図であり、(a)は断面図、(b)は図中のA部の模式図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり、(a)は一部切欠き斜視図、(b)は一部切欠き側面図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり、(a)は斜視図、(b)は一部切欠き側面図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり(a)は斜視図、(b)は一部切欠き側面図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き側面図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き斜視図 透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き側面図
本発明を実施するための形態を、図面を参照して詳細に説明する。
<1>構成
図1は、本発明の実施形態に係る透光性外郭部材を用いたLEDランプの構成を示す一部切欠き側面図である。
LEDランプ1は、白熱電球に代替する、いわゆる電球形のランプである。ボディ部2の一端にはE型の口金3が取り付けられ、ボディ部2の他端4には白色光を出射するLEDモジュール5およびこれを覆うグローブ6が取り付けられている。電球形のLEDランプでは、グローブ6が透光性外郭部材に相当する。
<1−1>LEDモジュール
LEDモジュール5では、回路基板11に青色LED12が実装され、青色LED12が透光性の封止部材13により封止されている。
封止部材13の内部には、青色LEDの出射光により励起する少なくとも1種類の蛍光体粒子が分散されている。蛍光体粒子の種類は、LEDランプが実現しようとする光色区分(電球色、温白色、白色、昼白色、昼光色)に応じて適宜選択される。本実施形態では、封止部材13の内部に分散される蛍光体として、緑色ないし黄色蛍光体粒子14および赤色蛍光体粒子15が選択されている。ただし、これに限らず、緑色ないし黄色蛍光体粒子14のみ、あるいは、赤色蛍光体粒子15のみが選択されることとしてもよい。蛍光体粒子の粒径は、約30μmである。蛍光体粒子の粒径は、水に分散された溶液をレーザ回折式粒度分布測定装置で測定した値である。レーザ回折式粒度分布なので、存在比率の基準としては体積基準(体積分布)におけるメジアン径(d50)の大きさを使った。また、島津製作所製のレーザ回折式粒度分布測定装置"SALD-2000A"を用いて測定した。本明細書で、粒子の粒径は、上記測定方法により得られる数値であるものとする。
以下、各構成要素を具体的に説明する。
(1)青色LED
青色LED12は、440nm〜460nmの波長域に主たる発光ピークを持つ。このようなLEDとしては、例えば、窒化ガリウム系のLEDが挙げられる。
(2)緑色ないし黄色蛍光体粒子
緑色ないし黄色蛍光体粒子14は、青色LED12の出射光により励起され、緑色ないし黄色光を出射する。緑色蛍光体粒子は、500nm〜540nmの波長域に主たる発光ピークを持ち、黄色蛍光体粒子は、545nm〜595nmの波長域に主たる発光ピークを持つものとする。一般に、蛍光体は特性のばらつきが大きく、組成式では黄色蛍光体に分類されても発光ピークでは緑色蛍光体に分類されるような場合や、その逆の場合がある。本明細書では、両者を明確に分類できない場合もあることを考慮して、「緑色ないし黄色蛍光体」と表記することとしている。
緑色蛍光体としては、例えば、次のものが挙げられる。Y3Al512:Ce3+、Tb3Al512:Ce3+、BaY2SiAl412:Ce3+、Ca3Sc2Si312:Ce3+、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+、CaSc24:Ce3+、Ba3Si6122:Eu2+、β−SiAlON:Eu2+、SrGa24:Eu2+
黄色蛍光体としては、例えば、次のものが挙げられる。(Y,Gd)3Al512:Ce3+、Y3Al512:Ce3+,Pr3+、(Tb,Gd)3Al512:Ce3+、(Sr,Ba)2SiO4:Eu2+、(Sr,Ca)2SiO4:Eu2+、CaSi222:Eu2+、Ca−α−SiAlON:Eu2+、Y2Si46C:Ce3+、CaGa24:Eu2+
(3)赤色蛍光体粒子
赤色蛍光体粒子15は、青色LED12および緑色ないし黄色蛍光体粒子14の出射光の少なくとも一方の出射光により励起され、赤色光を出射する。赤色蛍光体粒子15は、600nm〜650nmの波長域に主たる発光ピークを持つものとする。
赤色蛍光体としては、例えば、次のものが挙げられる。Ca−α−SiAlON:Eu2+、CaAlSiN3:Eu2+、(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+、Sr2Si58:Eu2+、Sr2(Si,Al)5(N,O)8:Eu2+、CaS:Eu2+、La22S:Eu3+
<1−2>グローブ
グローブ6は、半球状や椀状などの特定形状に成形された透光性基材21と、透光性基材21内に分散された光散乱材22と、透光性基材21内に分散されたネオジムイオンを含むネオジムガラス粒子23とを含む。
(1)光散乱材
光散乱材22は、無機材料または有機材料からなる球状または非球状の粒子である。無機材料としては、例えば、酸化カルシウム、硫酸バリウム、酸化チタン、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、ジルコニア、酸化亜鉛、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、酸化ジルコニウム等が挙げられる。有機材料としては、アクリル系樹脂、スチレン系樹脂、スチレンアクリル系樹脂、メラミン−ホルマリン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、並びに、これら樹脂の共重合体の樹脂が挙げられる。なお、粒子の平均粒径は、幾何光学の散乱およびミー散乱を有効に利用するために、0.1μm〜20μmであることが好ましく、1μm〜15μmのものが特に好ましい。透光性粒子の平均粒径が0.1μm〜20μmの場合は、透光性粒子による光散乱性を十分に得ることができ、所望の光学特性を得ることができる。特に、透光性粒子の平均粒径が1μm〜15μmの範囲内ならば、より十分な光散乱性を得ることができる。
また、透光性粒子の形状は、特に限定されるものではなく、略球形状、立方体状、紡錘状、針状、棒状等のいずれでも差し支えない。また、粒子は、中身の詰まったものに限らず、中空または多孔質のものでもよい。
なお、本実施形態では、光散乱材22が透光性基材21内に分散されているので、光散乱材22の材料と透光性基材21の材料とで屈折率が異なる必要がある。光散乱材22が透光性基材21の外周面または内周面に付着している場合は、光散乱材22の材料と透光性基材21の材料とで屈折率を異ならせる必要はない。
光散乱材22の含有率は、透光性基材22の材料(例えば、樹脂)に対し、0.1〜20wt%であれば好ましく、より好ましくは0.5〜15wt%であるとよい。含有率が0.1wt%以上であれば、光の拡散効果を十分に得ることができ、20wt%以下であれば加工性および成形品の外観を良好に維持することができる。
また、光散乱材22の屈折率と透光性基材21の屈折率との差が0.01〜0.15であることが好ましい。屈折率の差を0.01以上とすることで光の拡散効果を十分に得ることができ、0.15以下とすることで全光線透過率の低下を抑制することができる。
また光散乱材22を、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等のカップリング剤、有機脂肪酸および/または有機脂肪酸の金属塩、界面活性剤、燐酸化合物等で表面処理することとしてもよく、特に有機脂肪酸および/または有機脂肪酸の金属塩で表面処理するのが好ましい。
(2)ネオジムガラス粒子
ネオジムガラス粒子23は、LEDモジュール5の出射光が照射される位置に存在しているので、その出射光のうちの特定の波長域の光を吸収することができる。グローブ6からは、LEDモジュール5の出射光(青色LED12、緑色ないし黄色蛍光体粒子14および赤色蛍光体粒子15の混合光)のうち、ネオジムガラス粒子23により吸収されずに残った光が出射される。ネオジムガラス粒子23は、ネオジムガラス板を粉砕して粒子状にしたものであり、その粒径は、10μm〜200μmである。
ネオジムガラス粒子23は、具体的には、580nm〜600nmの波長域に主たる吸収ピークを持つ。この波長域は、酸化ネオジム(Nd23)粒子の吸収ピークがある605nm付近よりも短波長側にある。ネオジムガラスと酸化ネオジム(Nd23)とで吸収ピークの波長域が異なるのは、ネオジムガラス中では、ネオジムがイオン(Nd3+)の状態で存在しているのに対し、酸化ネオジムではネオジム原子と酸素原子とが共有結合しているのでネオジムがイオンの状態で存在しておらず、これらの相違により、吸収を引き起こすエネルギー準位間のギャップが相違しているからであると考えられる。図2に、透光性基材21の内部に光散乱材22およびネオジムガラス粒子23が分散されており、ネオジムガラス粒子中にネオジムがイオンの状態で存在している様子を模式的に示す。
ネオジムガラスは、シリカ(SiO2)、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化ネオジム(Nd23)、酸化ホウ素(B23)を適切な重量比で混合し、それを溶融させることにより作製することができる。アルカリ金属酸化物としては、Na2O、Li2O、K2Oなどを利用することができ、アルカリ土類金属酸化物としては、CaO、SrO、BaO、MgOなどを利用することができる。
透光性基材21中のネオジムガラス粒子23の含有率は、0.3wt%〜50wt%であるのが好ましく、1.25wt%〜40wt%であればより好ましい。これらの範囲であれば、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を高められることが実験により判明している。また、ネオジムガラス粒子の重量比が大きくなるとその分だけ透光性基材の材料の重量比が小さくなり、透光性基材の材料でのネオジムガラス粒子同士の接着性が低下する。透光性基材中のネオジムガラス粒子16の含有率が50wt%以下であれば、特にそのような問題もない。なお、ネオジムガラス粒子の比重が約2であり、透光性基材の材料の比重が約1であることを考えると、ネオジムガラス粒子が50wt%であっても体積的には30体積%である。そのため、十分な接着性を確保することができる。
また、ネオジムガラス粒子中のネオジムの含有率は、酸化物換算で2wt%〜32wt%であるのが特に好ましい。2wt%よりも少なければネオジムガラス粒子一個当たりの光吸収量が小さくなるので透光性基材中のネオジムガラス粒子が多くなり、透光性基材の表面にひび割れが生じる。また、32wt%よりも多ければネオジムガラス中でネオジム粒子のダマができしまう。ちなみに、ネオジムの含有率32wt%にした場合、シリカ58wt%、Na2O5wt%、B235wt%でガラス化できた。
(3)透光性基材
透光性基材21は、半球状や椀状などの特定形状に成形可能な材料からなる。具体的には、(メタ)アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル樹脂、シリコーン等の樹脂材料や、ガラス材料あるいは低融点ガラス材料が挙げられる。グローブは、例えば、(A)透光性基材の樹脂材料80wt%〜99.9wt%、(B)光散乱材の材料0.1wt%〜20wt%に対し、(C)ホスファイト化合物および/またはホスフェート化合物0.001wt%〜1wt%および(D)フェノール系酸化防止剤0.001wt%〜1wt%を含有したものである。また、シリコーンを用いる場合には、シリコーン材料に光散乱材22およびネオジムガラス粒子23を分散させ、金型に流し込んで硬化させればよい。また、低融点ガラス材料を用いる場合には、ゾルゲル法で作製することができる。すなわち、オルトケイ酸テトラエチルSi(OC254、水、エタノールを20cc、80cc、80ccずつ含む溶液に対し、直径20μmのネオジムガラス粒子を30g入れて混合して混合液を作り、この混合液に0.01mol/dm3の塩酸液(硝酸、酢酸でも可能)を数cc添加する。そして、このネオジムガラス粒子入り混合液をゲル化させる。このゲル化させたものを型に入れ、100℃で2時間乾燥する。乾燥後、800℃で1時間焼成して、ネオジムガラス粒子を含有するガラスを作製する。なお、オルトケイ酸テトラエチル以外のアルコキシド類のシリカを用いてもよい。このように、低融点ガラスを用いれば、ネオジムガラス粒子を溶融させずに粒子状の外観形状を維持したままガラスに含有させることができる。なお、各溶液の量は、実際の製造工程では適宜調整すればよい。
上記構成によれば、演色性を高めるためのネオジムガラス粒子がグローブに含まれている。したがって、このグローブをLEDランプに用いれば、通常の演色性のLEDモジュールを用いても、高い演色性のLEDランプを得ることができる。
また、実際の製品では、光吸収材による光吸収量を製品の種類毎に異ならせる場合がある(例えば、電球色と昼白色とで異ならせる)。そのような場合、上記の構成では、透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率を異ならせるだけでいいので、膜厚の異なるネオジムガラス板を製品の種類毎に用意しておく場合に比べて、製造上での材料管理の手間を省略できる。
<2>検証
発明者らは、実験により、光吸収材としてネオジムガラス粒子を利用した場合(実施例)、酸化ネオジム粒子を利用した場合(比較例)、ネオジムガラス板を採用した場合(比較例)の発光効率および演色性を評価した。実験は、JIS Z9112に規定された光色区分で「電球色」に相当するLEDモジュールと「昼白色」に相当するLEDモジュールで行った。
<2−1>電球色
まず、図3〜図5を用いて、ネオジムガラス粒子と酸化ネオジム粒子とを比較するための実験とその結果を説明し、次に、図6〜図8を用いて、ネオジムガラス粒子とネオジムガラス板とを比較するための実験とその結果を説明する。
(1)ネオジムガラス粒子と酸化ネオジム粒子との比較
図3は、比較例S1〜S4および実施例S5〜S7の分光スペクトルの測定結果であり、図4は、比較例S1の発光強度を100としたときの比較例S2〜S4および実施例S5〜S7の発光強度の割合である。
比較例S1は、透光性基材の内部にネオジムガラス粒子等の光吸収材を含まない透光性外郭部材を用いたときのLEDランプに相当する(図中、「ノンドープ」と表記)。比較例S1は、光吸収材を含有していないので、光吸収材を含有させた場合に発光効率および演色性がどれだけ変化するかを評価するときの基準として利用できる。
比較例S2、S3、S4は、透光性基材の内部に酸化ネオジム(Nd23)粒子を分散させた透光性外郭部材を用いたときのLEDランプに相当し、透光性基材中の酸化ネオジム粒子の含有率が、それぞれ、0.5wt%、1.0wt%、3.0wt%のものである。ここでの含有率は、透光性基材および酸化ネオジム粒子の総量を100としたときの酸化ネオジム粒子の割合である。
実施例S5、S6、S7は、透光性基材の内部にネオジムガラス粒子を分散させた透光性外郭部材を用いたときのLEDランプに相当し、透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率が、それぞれ、5.0wt%、7.0wt%、10.0wt%のものである。ここでの含有率は、透光性基材およびネオジムガラス粒子の総量を100としたときのネオジムガラス粒子の割合である。
LEDランプの相関色温度はいずれも2600K付近に設定されており、これはJIS Z9112に規定された光色区分でいうと「電球色」に相当する。
LEDモジュールの蛍光体粒子には、緑色ないし黄色蛍光体粒子および赤色蛍光体粒子の両方を用いた。これらの粒径は、いずれも30μm程度であった。
ネオジムガラス粒子は、ネオジムガラスの材料を1200℃で溶融して板ガラスに成形し、この板ガラスに窒素ガスを10cc/分の流量で流しながら1000℃、2時間のアニールを施し、この板ガラスを粉砕することにより得られた。ネオジムガラス粒子の粒径を測定したところ、180μm程度であった。
ネオジムガラスの材料は、シリカ(SiO2)が65.6wt%、アルカリ金属酸化物(Na2O、Li2O、K2O)が15.9wt%、アルカリ土類金属酸化物(CaO、SrO、BaO、MgO)が10.6wt%、酸化ネオジム(Nd23)が7.9wt%であり、アルカリ金属酸化物中、Na2O、Li2O、K2Oはそれぞれ同量であり、アルカリ土類金属酸化物中、CaO、SrO、BaO、MgOはそれぞれ同量である。
透光性基材としては、シリコーン樹脂を用いた。
図3を見ると、比較例S2〜S4および実施例S5〜S7では、光吸収材の効果により、特定の波長域の光が吸収されていることが分かる。また、透光性基材中の光吸収材の含有率が高いほど、光の吸収率が高いことが分かる。
図4を見ると、実施例S5〜S7では、580nm付近に吸収ピークを持つのに対し(A1参照)、比較例S2〜S4では、600nm付近に吸収ピークを持つことが分かる(A2参照)。すなわち、実施例S5〜S7の吸収ピークの波長域は、比較例S2〜S4の吸収ピークの波長域よりも短波長側にある。このように、吸収ピークが短波長側にシフトすることにより、黄色の波長域の中でもより純粋な黄色の光を吸収することができる。蛍光体とLEDを光源とするLEDランプにおいて、光源中の黄色の波長域の光が強すぎると、鮮やかな赤色や日本人の肌の色は黄色みが増して見え、演色性が悪くなる傾向にある。実施例S5〜S7では、比較例S2〜S4に比べて、より純粋な黄色の光を吸収することができるので、特に、鮮やかな赤色や日本人の肌の色の演色性を高められ、ひいては、LEDランプの演色性を高められると考えられる。
図5は、LEDランプの発光効率および演色性を評価するための各種指標の測定結果である。各種指標としては、光束、光束比、平均演色評価数Ra、色域面積比Ga、目立ち指数M、特殊演色評価数R9、R15、色域面積比Ga4がある。
光束比は、比較例S2〜S4および実施例S5〜S7の光束を比較例S1の光束で規格化した値である。光束比が高いほど、光吸収材による発光効率の低下が少ないことを意味する。
平均演色評価数Raは、JIS Z8726に規定されており、番号1〜8の8個の試験色(中彩度の試験色)に基づいて算出されるものであり、中彩色が自然に見えるかを評価するための指標である。
色域面積比Gaは、JIS Z8726の参考欄に「演色評価数による以外の演色性の評価方法」として記載されたものである。具体的には、番号1〜8の8個の試験色に対して基準光による色度座標および試料光源による色度座標を求め、これらをU**平面上にプロットしてそれぞれ得られる8角形の面積を求め、試料光源による8角形の面積を基準光による8角形の面積で割って比の値を求め、この比を100倍することで得られる値である。
色域面積比Gaが100より小さいときには、彩度が減じる方向にあるので、色がくすんで見える傾向にあり、100より大きいときには、彩度が増加する方向にあるので、色が鮮やかに見える傾向にある。一般の物体色は、概して彩度が増して見えるほどきれいに感じられるので、色が好ましく見えるかを評価する指標として色域面積比Gaを用いることは有効である。
目立ち指数Mは、色の目立ち感を評価する指標である。試料光源で照明された色彩対象物の目立ち感の程度は、表色系として納谷らの非線形色知覚モデルのブライトネス(B)、カラフルネス(Mr−g,My−b)(例えば、納谷ら、「カラー リサーチ アンド アプリケーション」(Color Research and Application),20,3(1995))で表された4色試験色の色域面積の大きさで表される。この4色試験色の色域面積をもとに目立ち指数Mは次式で表される。
M=[G(S,1000(lx))/G(D65,1000(lx))]1.6×100
ここで、G(S,1000(lx))は、試験光源および照度1000(lx)のもとでの4色試験色の色域面積を示し、G(D65,1000(lx))は、基準光D65および照度1000(lx)のもとでの4色試験色の色域面積を示す。この目立ち指数Mが高くなるほど、生花や木の葉の緑などの色彩対象物を目立たせることができる。
特殊演色評価数R9は、JIS Z8726に規定された番号9の試験色(鮮やかな赤色)に基づいて算出されるものである。また、特殊演色評価数R15は、JIS Z8726に規定された番号15の試験色(日本人の肌の色)に基づいて算出されるものである。
色域面積比Ga4は、番号9〜12の4個の試験色(高彩度の試験色)に基づいて算出された色域面積比である。即ち、番号1〜8の試験色を用いたGaと同様の計算手法に従って、番号1〜8の試験色の代わりに番号9〜12を用いることにより得られる。番号1〜8の試験色は、自然物の微妙な色の見えの違いを評価するために選定されたものであり、中彩度の試験色である。これに対して、番号9〜12の試験色は、本来鮮やかなものの見えを評価するために選定されたものであり、高彩度の試験色である。このため、Ga4を使用することによって、鮮やかに見せたい物が鮮やかに見えているかということを正確に評価することができる。
図5を見ると、比較例と実施例とで光束比が近似しているのは、比較例S2と実施例S7の組である。光束比が近似しているということは、光吸収材による発光効率の低下の程度が近似していることを意味する。
比較例S2では、平均演色評価数Raが81.6、色域面積比Gaが99.6、目立ち指数Mが119.0、特殊演色評価数R9が54.3、特殊演色評価数R15が85.0、色域面積比Ga4が102.1である。
実施例S7では、平均演色評価数Raが87.5、色域面積比Gaが103.5、目立ち指数Mが124.0、特殊演色評価数R9が51.6、特殊演色評価数R15が91.3、色域面積比Ga4が103.1である。
これから、平均演色評価数Ra、色域面積比Ga、目立ち指数M、特殊演色評価数R15、色域面積比Ga4の5種類の指標において、実施例S7が比較例S2よりも優れていることが分かる。なお、特殊演色評価数R9では、実施例S7が比較例S2よりも劣っているが、これは、光束比が近似しているものの完全同一ではないことによるものと考えられる。実施例S7のネオジムガラス粒子の含有率をもう少し増やして実施例S7と比較例S2とで光束比を同じにすれば、特殊演色評価数R9でも実施例S7の数値が比較例S2の数値と同程度かそれ以上にまで高まると考えられる。
以上より、光吸収材としてネオジムガラス粒子を用いたほうが酸化ネオジム粒子を用いるよりも、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を高められることが分かる。
なお、透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率をR1、ネオジムガラス粒子中のネオジムの含有率(酸化物換算)をR2、透光性基材中のネオジムの含有率(酸化物換算)をR3とすると、R3=R1×R2×100である。上記実験では、R1が5.0wt%〜10.0wt%、R2が7.9wt%なので、R3は0.4wt%〜0.8wt%となる。原理的には、透光性基材中のネオジムの含有率が同じであれば、同じ効果が得られると考えられる。したがって、透光性基材中のネオジムの含有率が、酸化物換算で0.4〜0.8wt%であれば、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を高めるという効果が得られる。
また、上記実験では、R2は7.9wt%であるが、前述のようにR2は2wt%〜32wt%の範囲内で任意に変更可能である。R2が2wt%〜32wt%であり、R3が0.4wt%〜0.8wt%であることから逆算すると、透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率R1は1.25wt%〜40wt%の範囲で変更可能である。
また、上記実験では、R3は0.4wt%〜0.8wt%であるが、製造誤差を考慮すると概ね、0.1wt%〜1wt%であると言える。これから逆算すると、透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率R1は、0.3wt%〜50wt%の範囲で変更可能であると言える。
(2)ネオジムガラス粒子とネオジムガラス板との比較
図6は、演色性を評価するための各種指標と光束比との関係を示す図であり、(a)は平均演色評価数Ra、(b)は特殊演色評価数R9、(c)は特殊演色評価数R15、(d)は色域面積比Ga4を示す。図7は、図6のグラフの基となるデータを示す。なお、図7において、Tcは相関色温度であり、duvは偏差である。
図6を見ると、平均演色評価数Ra、特殊演色評価数R9、R15、色域面積比Ga4の何れにおいても、ネオジムガラス粒子のデータを結ぶ線がネオジムガラス板のデータを結ぶ線よりも光束比が高い側にあることが分かる。これは、ネオジムガラス粒子のほうがネオジムガラス板に比べて、同じ発光効率でも演色性が高いことを意味する。
さらに、平均演色評価数Ra、特殊演色評価数R9、色域面積比Ga4では、ネオジムガラス粒子のデータを結ぶ線の傾きがネオジムガラス板のデータを結ぶ線の傾きよりも大きいことが分かる。これは、ネオジムガラス粒子のほうがネオジムガラス板に比べて、発光効率を少し低下させるだけでも演色性を大きく高められることを意味する。
以上より、光吸収材としてネオジムガラス粒子を用いたほうがネオジムガラス板を用いるよりも、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を高められることが分かる。
なお、ネオジムガラス粒子とネオジムガラス板とでは、材質は同じであり、単に外観形状が異なるだけである。このように外観形状を異ならせるだけで上記の効果が得られるというのは、本発明者らが実際に実験をしてみて初めて判明したことである。
図8に、ネオジムガラス粒子の吸収係数の測定結果、ネオジムガラス板の吸収係数の測定結果、および、これらの吸収係数比の計算結果を示す。吸収係数比は、ネオジムガラス板の吸収係数をネオジムガラス粒子の吸収係数で割って得られた値である。
吸収係数に着目すると、ネオジムガラス粒子の吸収ピークの波長域は、ネオジムガラス板の吸収ピークの波長域よりも短波長側にある。このように、吸収ピークが短波長側にシフトすることにより、純粋な黄色の波長域の光を吸収することができる。そのため、LEDランプの演色性を高められると考えられる。
また、吸収係数比に着目すると、吸収ピークが存在する波長域(A3参照)では吸収係数比が1〜2程度であるのに対し、それよりも短波長側(A4参照)および長波長側(A5参照)では吸収係数比が2〜4程度である。すなわち、ネオジムガラス粒子は、ネオジムガラス板に比べて、吸収ピークが存在する波長域以外の波長域での吸収率が相対的に小さいと言える。したがって、ネオジムガラス粒子は、ネオジムガラス板に比べて、吸収ピークが存在する波長域以外の波長域での無駄な光吸収が少なく、発光効率の低下を抑制することができる。
このように、同一材質のネオジムガラスでも粒子状と板状とで吸収の効果が異なるのは、光学経路の違いによるものと考えられる。板状の場合は、蛍光体粒子からの出射光が空気(屈折率n=1)を介してネオジムガラス板(屈折率n=1.7)に入射されるため、屈折率差が大きくガラス板への入射光率が低くなりやすい。一方、粒子状の場合は、蛍光体粒子からの出射光が透光性基材(樹脂であれば屈折率n=1.4)を介してネオジムガラス粒子(屈折率n=1.7)に入射されるため、ネオジムガラス粒子への入射光率が高いと考えられる。
なお、透光性基材にネオジムガラス粒子を錬成するのは、板状に比べて製造も容易である。
<2−2>昼白色
実験で用いたLEDランプの構成は、相関色温度が5200K付近に設定されていること、および、蛍光体粒子に緑色ないし黄色蛍光体粒子のみが用いられていること以外は、電球色の場合と同様である。
図9は、比較例S11〜S14および実施例S15〜S17の分光スペクトルの測定結果である。図10は、LEDモジュールの発光効率および演色性を評価するための各種指標の測定結果である。
図9を見ると、比較例と実施例とで光束比が近似しているのは、比較例S12と実施例S17の組である。
比較例S12では、平均演色評価数Raが76.2、色域面積比Ga92.5が、目立ち指数Mが95.9、特殊演色評価数R9が39.7、特殊演色評価数R15が79.5、色域面積比Ga4が97.3である。
実施例S17では、平均演色評価数Raが86.5、色域面積比Gaが98.6、目立ち指数Mが102.6、特殊演色評価数R9が57.0、特殊演色評価数R15が91.4、色域面積比Ga4が101.3である。
これから、平均演色評価数Ra、色域面積比Ga、目立ち指数M、特殊演色評価数R9、R15、色域面積比Ga4の全ての指標において、実施例S17が比較例S12よりも優れていることが分かる。
以上より、光吸収材としてネオジムガラス粒子を用いたほうが酸化ネオジム粒子を用いるよりも、発光効率の低下を抑制しつつ演色性を高められることが分かる。
<3>変形例
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、以下のような変形例が考えられる。
(1)光散乱材とネオジムガラス粒子の存在箇所
実施形態では、光散乱材およびネオジムガラス粒子の両方が透光性基材の内部に分散されている例を説明しているが、本発明はこれに限られない。例えば、以下の例でも構わない。
図11は、透光性外郭部材の構造の変形例を説明するための図であり、(a)は断面図、(b)〜(j)は図中のA部の模式図である。(b)は、光散乱材22およびネオジムガラス粒子23が透光性基材21の内部に分散された例である。(c)は、光散乱材22およびネオジムガラス粒子23が透光性基材21の外周面に付着している例であり、(d)は、これらが透光性基材21の内周面に付着している例である。なお、光散乱材22およびネオジムガラス粒子23の付着にはバインダ24が用いられている。(e)は、光散乱材22が透光性基材21の外周面に付着し、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の内部に分散された例であり、(f)は、光散乱材22が透光性基材21の内周面に付着し、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の内部に分散された例である。(g)は、光散乱材22が透光性基材21の内部に分散され、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の外周面に付着している例であり、(h)は、光散乱材22が透光性基材21の内部に分散され、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の内周面に付着している例である。(i)は、光散乱材22が透光性基材21の外周面に付着し、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の内周面に付着している例であり、(j)は、光散乱材22が透光性基材21の内周面に付着し、ネオジムガラス粒子23が透光性基材21の外周面に付着している例である。上記の何れの例であっても、LEDモジュールの出射光が照射される位置に光散乱材22およびネオジムガラス粒子23が存在しているので、実施形態と同様の効果を得ることができる。
(2)光散乱材を兼ねたネオジムガラス粒子
実施形態では、光散乱材およびネオジムガラス粒子の両方を用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、以下に示すように、光散乱材を兼ねたネオジムガラス粒子を用いることで、光散乱材を別途用いないようにしてもよい。
図12は、透光性外郭部材の構成材料の変形例を説明するための図であり、(a)は断面図、(b)は図中のA部の模式図である。この例では、グローブは、透光性基材21とネオジムガラス粒子23とを含む。ネオジムガラス粒子23の粒径は0.1μm以上10μm未満である。ネオジムガラス粒子23の粒径がこの範囲であれば、ネオジムガラス粒子23は光吸収材だけでなく、光散乱材としても機能する。そのため、光散乱材を別途用いる必要がなくなる。ネオジムガラス粒子23の光吸収材としての性能は、実施形態で説明した通りである。
ネオジムガラス粒子23を光吸収材として用いる場合は、ネオジムガラス粒子23の含有率は、透光性基材22の材料に対し、0.3〜50wt%であれるのが好ましい(実施形態参照)。一方、ネオジムガラス粒子23を光散乱材として用いる場合は、ネオジムガラス粒子23の含有率は、透光性基材22の材料に対し、0.1〜20wt%であれば好ましく、より好ましくは0.5〜15wt%であるとよい(実施形態参照)。含有率が0.1wt%以上であれば、光の拡散効果を十分に得ることができ、20wt%以下であれば加工性および成形品の外観を良好に維持することができる。
ネオジムガラス粒子23を光吸収材と光散乱材とで兼用する場合、両方の条件を満たすことが好ましい。即ち、ネオジムガラス粒子23の含有率が0.3wt%〜20wt%であることが好ましい。
また、ネオジムガラス粒子23の屈折率と透光性基材21の屈折率との差が0.01〜0.15であることが好ましい。屈折率の差を0.01以上とすることで光の拡散効果を十分に得ることができ、0.15以下とすることで全光線透過率の低下を抑制することができる。
また、ネオジムガラス粒子を、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤等のカップリング剤、有機脂肪酸および/または有機脂肪酸の金属塩、界面活性剤、燐酸化合物等で表面処理することとしてもよく、特に有機脂肪酸および/または有機脂肪酸の金属塩で表面処理するのが好ましい。
(3)透光性外郭部材の形状
実施形態では、透光性外郭部材の形状を具体的に示しているが、本発明はこれに限られない。例えば、以下の形状でも構わない。なお、以下の例で実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
図13は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり、(a)は一部切欠き斜視図、(b)は一部切欠き側面図である。LEDランプ1aは、電球形のランプであり、特に配光角が広いタイプの電球形のランプである。LEDランプ1aは、一部が切り欠かれた球状のグローブ6aを備える。このグローブ6aが透光性外郭部材に相当する。さらに、LEDランプ1aは、環状のLEDモジュール5aおよび環状のビームスプリッタ9を備えている。ビームスプリッタ9は、LEDモジュール5aの出射光の一部を透過させ、残りの一部を反射させる役割を果たす。これにより、LEDランプ1aの配光角を広げることができる。なお、LEDモジュール5aの中央の開口には回路ユニット7が挿入され、さらに、回路ユニット7がキャップ8で覆われている。
図14は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり、(a)は斜視図、(b)は一部切欠き側面図である。LEDランプ1bは、電球形のランプであり、特に配光角が広いタイプの電球形のランプである。LEDランプ1bは、白熱電球のバルブに類似した形状のグローブ6bを備える。このグローブ6bが透光性外郭部材に相当する。LEDランプ1bは、LEDモジュール5bを支持する支持部材30を備える。LEDモジュール5bの回路基板は透光性を有している。そのため、LEDモジュール5bの前方だけでなく後方にも光が出射される。これにより、LEDランプ1bの配光角を広げることができる。
図15は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための図であり(a)は斜視図、(b)は一部切欠き側面図である。LEDランプ1cは、配光角が狭い(スポットライト用途に適した)タイプの反射鏡付きハロゲン電球形のランプである。LEDランプ1cは、椀状部材31と、椀状部材31の開口に設けられた環状部材32と、環状部材32の中央の開口に設けられた導光部材6cとを備える。椀状部材31および環状部材32は、金属または樹脂からなる。導光部材6cは、透光性材料からなり、略円錐台状に形成されている。導光部材6cの下底面に凹部が形成され、この凹部にLEDモジュール5cが嵌め込まれている。また、導光部材6cの上底面は環状部材32の中央の開口を通じて外部に露出している。そして、導光部材6cの側面は曲面状に形成され、これにより、導光部材6cは、LEDモジュール5cの出射光を絞るレンズとして機能する。ここでは、ボディ部2、口金3、椀状部材31、環状部材32および導光部材6cがLEDランプ1cの外郭部材としての役割を果たしており、その中でも導光部材6cが透光性外郭部材としての役割を果たしている。即ち、導光部材6cが透光性外郭部材に相当する。
図16は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き側面図である。LEDランプ1dは、HIDランプ形のランプである。LEDランプ1dは、HIDランプのバルブに類似した形状のグローブ6dを備える。このグローブ6dが透光性外郭部材に相当する。LEDランプ1dは、多面体部材34と、多面体部材34の各面に配されたLEDモジュール5dと、多面体部材34を支持する支持部材33とを備える。多面体部材34の各面にLEDモジュール5dが配されているので、HIDランプと同等の配光特性を得ることができる。
図17は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き斜視図である。LEDランプ1eは、直管形のランプである。LEDランプ1eは、透光性の管状部材6eと、管状部材6eの内部に収容されたLEDモジュール5eと、管状部材6eの両端に配された口金部材35とを備える。この管状部材6eが透光性外郭部材に相当する。
図18は、透光性外郭部材の形状の変形例を説明するための一部切欠き側面図である。LEDランプ1fは、シーリングライト形のランプである。LEDランプ1fは、前面が開口された筐体36と、筐体36の内部に収容されたLEDモジュール5fと、筐体36の開口に配された前面カバー6fとを備える。前面カバー6fは、透光性材料からなる。ここでは、ここでは、筐体36および前面カバー6fがLEDランプ1fの外郭部材としての役割を果たしており、その中でも前面カバー6fが透光性外郭部材としての役割を果たしている。即ち、前面カバー6fが透光性外郭部材に相当する。
本発明は、例えば、LEDランプに利用することができる。
1 LEDランプ
2 ボディ部
3 口金
5 LEDモジュール
6 グローブ
6a グローブ
6b グローブ
6c 導光部材
6d グローブ
6e 管状部材
6f 前面カバー
7 回路ユニット
8 キャップ
9 ビームスプリッタ
11 回路基板
12 青色LED
13 封止部材
14 緑色ないし黄色蛍光体粒子
15 赤色蛍光体粒子
16 ネオジムガラス粒子
21 透光性基材
22 光散乱材
23 ネオジムガラス粒子
24 バインダ
30 支持部材
31 椀状部材
32 環状部材
33 支持部材
34 多面体部材
35 口金部材
36 筐体

Claims (9)

  1. ネオジムイオンを含むネオジムガラス粒子と、光散乱材と、を含むことを特徴とするLEDランプ用の透光性外郭部材。
  2. さらに、LEDランプ用の特定形状に成形された透光性基材を含み、前記透光性基材内に前記ネオジムガラス粒子および光散乱材が分散されていることを特徴とする請求項1に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  3. 前記透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率が、0.3wt%〜50wt%であることを特徴とする請求項2に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  4. 前記ネオジムガラス粒子中のネオジムの含有率が、酸化物換算で2wt%〜32wt%であることを特徴とする請求項3に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  5. 前記ネオジムガラス粒子の平均粒径が、10μm〜200μmであることを特徴とする請求項1に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  6. ネオジムイオンを含むネオジムガラス粒子を含み、前記ネオジムガラス粒子の粒径が、0.1μm以上10μm未満であることを特徴とするLEDランプ用の透光性外郭部材。
  7. さらに、LEDランプ用の特定形状に成形された透光性基材を含み、前記透光性基材内に前記ネオジムガラス粒子が分散されていることを特徴とする請求項6に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  8. 前記透光性基材中のネオジムガラス粒子の含有率が、0.3wt%〜20wt%であることを特徴とする請求項7に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
  9. 前記ネオジムガラス粒子中のネオジムの含有率が、酸化物換算で2wt%〜32wt%であることを特徴とする請求項8に記載のLEDランプ用の透光性外郭部材。
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