飲料販売機用照明の LED 化に関する研究 -バックライト方式の場合-

飲料販売機用照明の LED 化に関する研究 -バックライト方式の場合-

日大生産工

院

○須田 雅浩 日大生産工 内田 暁・大谷 義彦

土屋工業

株

増田 昌生

間隔になるように下部から①～④の番号をつけ たものとなっている。

1. はじめに

LED

は長寿命、低消費電力、有害物質を含ま ないなどから一般照明用に使われ始めている。

その中で現在、蛍光ランプが使用されている全 国約 264 万台(2007 年末,日本自動販売機工業会) の飲料販売機の

照明化が各社で進められて いる。

照明を飲料販売機に適応したならば、

照明部の交換が不要、省エネルギー、それに伴 う

の削減、水銀レスなどのメリットがある。

しかし、各社ともコスト面や

の特性により 十分な明るさが得られていないのが現状である。

使用した

は低電力、低コスト、指向性が 広く、熱をあまり発生しない

型のものを選 んだ。これによって、数を増やしても低電力で、

熱対策も現時点では不要と考えている。

拡散板は、製品化されている光源が映り込み にくいアクリワーロン

以後

と表記

とアク リライト

種類(以後

と表記)を用 いた。それぞれの光学特性を表 1 に示す。

反射板は、約

の反射率を有する超微細

発泡シートを使用した。

本研究の目的は、飲料販売機用照明の

化 を目指し、現行の蛍光ランプ方式との比較、検 討を行うことである。LED を用いた照射方式に は、主に導光板方式とバックライト方式の

つ が挙げられる。今回はバックライト方式を用い て、現行の蛍光ランプ方式の輝度値の半分程度 を保ちつつ、かつ約

験を行い、導光板方式、蛍光ランプ方式との比 較、検討結果を報告する。

2. 実験概要

バックライト方式は、拡散板の後方に

光 源を配置し、拡散させることにより面光源に近 似する仕組みである。

図 1 に示すサンプル缶

本分のバックライト 装置を作製し、これを用いて

の数、拡散板 の種類、図 2 に示す光源と拡散板の距離

、図 3 に示す反射板の設置個所などをそれぞれ変化さ せたときの輝度値の測定を、暗室内で

カメ ラにより行い、分布等の検討や比較を行った。

測定点は図

に示すように、サンプル缶の上 部・中部・下部、サンプル缶より上が

等

3.実験結果

3.1 反射板の設置効果の検討

できるだけ明るさを確保するため、

を

個使用し、図

で示した反射板の設置個所によ っての効果を確かめる実験を行った。

表 2 に実験の詳細を示す。名称は

の数や 状態、反射板の設置個所や状態、拡散板の種類 の順で表記する。例えば、

を

個使用し、

反射板は側面のみに設置。そして、拡散板はア クリワーロンを使用した場合では「

側

」 のようになる。

表 1 拡散板の光学特性[%]

表 2 実験の詳細

拡散板 反射率 透過率 吸収率 AW 36.2 41.6 22.2 432 38.1 45.0 16.9 NE14 30.6 52.6 16.8 422 23.0 59.0 18.0

名称 LEDの数 反射板 拡散板 d [mm]

18-無-AW 18個(1.84[W]) なし AW 20 18-背-AW 18個(1.84[W]) 背面 AW 20 18-側-AW 18個(1.84[W]) 側面 AW 20 18-側背-AW 18個(1.84[W]) 側面・背面 AW 20

d

光 源 拡 散 板

d

は光源によるムラが目視によりなくなった ときの距離である。

図 4 に反射板設置個所による輝度値を示す。

反射板無しに比べ、反射板を背面のみに設置 した場合では、平均で

、反射板を側面のみ 設置した場合では

置した場合では

それぞれ輝度値が増加し、

かなりの効果が得られた。このことより、LED から横や後ろ方向に放射された光の多くは、無 駄になっているということが言える。さらに、

図 1 装置 図 2 距離 図 3 反射板設置個所

側面 背面

側面

側面(横) 側面(横)

①

②

③

④

サ ンプ ル缶 拡散板

50[mm]

50[mm]

50[mm]

Research on making to LED for lighting of beverage vending machine

－

－

Masahiro SUDA , Akira UCHIDA , Yoshihiko OHTANI and Masao MASUDA

3.3 拡散板の検討 照射面四隅まで均一に明るくするという効果

も得られた。 目標輝度値に少し及ばない

個を使用し て、拡散板の種類を変える実験を行った。実験 の詳細を表 4 に示し、結果を図 6 に示す。

0 500 1000 1500 2000 2500

① ② ③ ④ 測定点

輝度値

・・・18-側背-AW

・・・18-背-AW

・・・18-側-AW

・・・18-無-AW

表 4 実験の詳細

名称 LEDの数 反射板 拡散板 d [mm]

10-側背-AW 10個(1.02[W]) 側面・背面 AW 20 10-側背-432 10個(1.02[W]) 側面・背面 432 30 10-側背-NE14 10個(1.02[W]) 側面・背面 NE14 30 10-側背-422 10個(1.02[W]) 側面・背面 422 35

3.2 LED の数の検討

LED

を

個使用の場合では、蛍光ランプ方式

に対して

の節電となっているが、節電目標

の

すために

の数を減らす実験を行った。実験 の詳細を表 3 に示し、結果を図 5 に示す。

反射板は

の結果より、側面背面に設置した 場合である。

図より、LED の数を減らすと当然輝度値も低 くなる。目標である現行の蛍光ランプ方式での 輝度値の半分は、サンプル缶部分に当たる測定 点①～③で約

、④で約

と なっているので、

を

個使用すれば、輝度 値では目標を上回ることができる。しかし、消 費電力では

節電であり、目標値を上回れな いため、更に

の数を減らす必要がある。ま た、

の数が

個、

個となるとサンプル缶部 分がかなり暗くなる。

432

の拡散板を用いると、アクリワーロンを用 いた場合より測定点①～③では約

、④ で は

の 差 が 生 じ 、 ① ～ ③ 行 で は

、④行では

の輝度値を得る ことができた。ただし

を大きくしないとムラ がなくならない。バックライト方式では、スペ ースの問題から

はなるべく小さい方が良い。

本研究で比較対象として用いた飲料販売機の奥 行から

以内であれば同じ奥行となるの で、新たにスペースを確保する必要はない。よ って拡散板は

を使用することとした。また、

輝度値は多少下がるが、アクリワーロンで

を 小さくすることによって、より薄型にすること が可能となっている。

また

の結果より、単に透過率が高い拡散 板を用いれば良いというわけではないことが確 認された。

3.4 反射板の形状の検討

3.1

で用いた反射板の側面に傾斜をもたせるこ とで、LED から横方向に出る光を正面に反射さ せ、輝度値の向上を図った。また、

は

列 に配置しているので、図 7 に示すように、列と 列の中心に山ができるように反射板を配置した 実験も行った。

と反射板の高さの関係を図 8 に示す。山の頂点を

と置くと、

は

の発 光点と拡散板の二等分点

中

が理想である

ので、

二等分未満

低

と二等分を超えたもの

高

も作製 し、分布等にどのような影響が出るかを確かめ る実験を行った。結果を図 9 に示す。

図 4 反射板設置個所による輝度値

図 6 拡散板による輝度値

1200 1600

0 400

・・・10-側背-422

・・・10-側背-432

・・・10-側背-NE14

・・・10-側背-AW

]

① ② ③ ④

測定点 [cd/m2

輝度値

表 3 実験の詳細

名称 LEDの数 反射板 拡散板

d

18-側背-AW 18個(1.84[W]) 側面・背面 AW 20 14-側背-AW 14個(1.43[W]) 側面・背面 AW 20 12-側背-AW 12個(1.22[W]) 側面・背面 AW 20 10-側背-AW 10個(1.02[W]) 側面・背面 AW 20 8-側背-AW 8個(0.82[W]) 側面・背面 AW 20 7-側背-AW 7個(0.71[W]) 側面・背面 AW 20

2500

図 5 LED の数による輝度値

500 1000 1500 2000

・・・18-側背-AW

・・・14-側背-AW

・・・12-側背-AW

・・・10-側背-AW

① ② ③ ④

測定点

2 ・・・ 8-側背-AW]

・・・ 7-側背-AW

m[cd/

輝度 値

サンプル缶部分に当たる測定点①～③では、

大きな変化が表れなかった。これはサンプル缶 部分の光は、拡散板から出た後に球面の缶によ り反射し、分散してしまうためであると考えら れる。④に関しては、側面を斜めにすることで

84[cd/m²]の輝度値の上昇がみられた。また、反

射板の山の頂点

が二等分未満

低

の場合、

から横方向に放射された光は、山での反射が少 なく、正面輝度値の上昇がほとんどみられなか った。これでは、反射板の山を設置する意味は ない。

が二等分を超えた場合

高

では、山の上 に反射光が集中しすぎるため、輝度値がかなり 上昇した。しかし、その分ムラとなり、目指す 飲料販売機用照明としては不適である。

が二等 分点では理想であると述べたが、今回の実験で は明るくなりすぎてムラとなってしまった。よ って、中央に反射板の山は設置した方が正面の 輝度値は上がり、

は二等分点以下の範囲で、高 いほど有効であることが確認できた。

3.5 拡散板の材料の検討

LED

化の問題点の一つに高コストが挙げられ る。導光板方式では、

の数は少なくて済む が、導光板の性能を上げるほどコストが非常に 高くなる。バックライト方式では、

の数が 多く必要とされるので、それ以外にかかる拡散 板等のコストを抑えることは重要である。よっ て、製品化されているものよりも安価である材 料を用いて、

～

の

種類の拡散板を作製し実

験を行った。これらの拡散板を使用した場合の

は全て

であった。

作製した拡散板の光学特性を表 5 に示し、結 果を

と、

を小さくできるアクリワーロンを 併せて図 10 に示す。

P

LED LED

拡散板

反射板 の山

表 5 A～C の光学特性[%]

拡散板 反射率 透過率 吸収率 A 56.1 36.4 7.5 B 63.4 29.0 7.6 C 59.9 32.7 7.4

0 400 800 1200 1600

① ② ③ ④ 測定点

輝度 値

・・・432

・・・AW

・・・A

・・・B

・・・C

図 7 反射板形状 図 8 LED と反射板の高さの関係

拡散板は、

から直接向かう光の輝度が強 くなりすぎないように全光線透過率を抑え、ム ラをなくすために、拡散透過率を高くしたもの が一般的には好ましい

。

図より、製品化されている

を使用した方 が高い輝度値となった。しかし、

では

と比 べ、測定点①～③では

の差と、近い輝度値が得られた。アクリワーロ ンと比べると、①～③では

高い輝度値を得ることができた。

また、作製した拡散板全てにおいてアクリワ ーロンよりも高い輝度値が得られたことから、

これらを使用することによって、低コストで

を使用した場合より

を小さくすることができ、

アクリワーロンを使用した場合より明るくする ことが可能であることがわかった。

3.6 LED の配置の検討

図 11 に示すように、

個を縦に中央一列 に配置することで、中央の輝度値の上昇が考え られる。また、横方向の光が少なくなると予想 されるので、側面横の反射板に傾斜をもたせた ものも併せて実験を行った。

次に、図 12 に示すように、サンプル缶部分後

方の

のみを

分の

からの光は、拡散板とサンプル缶の両 方によって遮られるので暗くなっている。よっ てこの部分の

を前面に配置することで、よ り明るくできると考えられる。これらの結果を 図 13 に示す。

図 10 拡散板の材料による輝度値 図 9 反射板の形状による輝度値

0 600 1200

・・・側背

・・・側斜背

・・・側斜背+山高

① ② ③ ④

測定点 [cd/m2 ] ^{・・・側斜背+山中}・・・側斜背+山低

輝度値

LED

を縦に配置することによって、測定点①

～③では

、④では

とかなり 輝度値が上昇したが、側面横の反射板を斜めに しても端に行くに従って僅かに暗くなる。しか し、光源がはっきり見えるムラとは異なり、見 た目の影響が少なくなっている。サンプル缶部 分であれば問題なく使用可能であると考えられ る。また、サンプル缶部分の

を前面に配置 することによって、①～③が

上昇し、

階段部分に反射板があることから、④の輝度値

も

上昇した。よって前面に配置するこ

とは有効であると考えられる。

3.7 まとめ

3.6

までで述べたように、様々な 工夫を行うと、僅かずつであるが輝 度値の上昇がみられた。これらの結 果と目標の節電を考慮し図 14 に示 す

を

個減らした

個の基板 を作製した。 サンプル缶部分の

は前面に配置し、反射板の側面に傾 斜をもたせ、後方にある

列の 中央に反射板の山を

が二等分点 以下になるように設置し、拡散板を

としたものとなっている。

4. 各方式の比較

各照射方式の比較結果を図 15 に示す。バック

ライト方式では、

節で述べた

前-側斜背中央

の結果を示した。導光板方式では、新たに 改善を加えた、缶部分

測定点①～③

の輝度値が 安定し、缶のない測定点④部が①～③よりも明 るくなるように作製した導光板の結果を示した。

蛍光ランプ方式は、列のうち最大輝度値である 列の値と、列の平均の輝度値の結果を示した。

波線は目標輝度値である。バックライト方式で は 測 定 点 ① ～ ③ に お い て 、 目 標 輝 度 値 を

1470[cd/m²]

を得ることができた。また、導光板

方式では①～③においては、目標輝度値を越え ることができたが、④では及ばなかった。

図 12 前面配置 図 11 縦型配置

0 400 800 1200 1600 2000

① ② ③ ④ 測定点

輝度値

・・・10-側背-432

・・・10縦-側背-432

・・・10縦-側斜背-432

・・・10前-側背-432

電力では、蛍光ランプ方式と比べ、バックラ イト方式では

の節電である

、導光 板方式では

の節電である

となって いる。従って両方式とも約

成することができた。

さらに、バックライト方式では、実際の飲料 販売機のように

段分で、段ごとに高さが違う ことを考慮すると、最大で

18[W]

にまですることが可能である。

0 1000 2000 3000

① ② ③ ④ 測定点

輝度値

・・蛍光ランプ方式(最大値)

・・蛍光ランプ方式(平均値)

・・バックライト方式(9前-側斜背中央-432)

・・導光板方式

図 13 LED の配置による輝度値

図 15 各方式による輝度値

5. おわりに

今回はバックライト方式を用いて、現行の蛍 光ランプ方式の輝度値の半分程度を保ちつつ、

かつ約

の節電を目標とし、実験を行ったが、

4

節で述べたように目標を達成できた。蛍光ラン プ方式とは約

倍の輝度値の差があるが、必要 以上に明るい、列によって明るさにばらつきが あるという欠点がある。それに対しバックライ ト方式は、列によってバラつきも少なく、見栄 えがかなり良くなっている。また、最大で

の節電であることも考慮すれば、今回得られた 輝度値で十分飲料販売機用照明として利用可能 であると考えられる。

参考文献

1) 平田幸久:「最先端照明・光源技術全集」,技術情報協会 発行,pp.163～165(2008)

図 14 9 前-側斜背中央-432

2) 平田幸久:「最先端照明・光源技術全集」,技術情報協会 発行,p161