(57)【要約】【課題】水中に設置可能な高耐圧で長寿命なＬＥＤ固体照明、及び、これを用いた養殖装置を提供すること。【解決手段】回路パターン１２が形成されたガラス基板１１に、青色ＬＥＤ１３ａと赤色ＬＥＤ１３ｂをそれぞれフリップチップ実装し、これらと密着して一体に封止する熱融着ガラスからなるガラス封止部１４を形成し、クロロフィルを有する藻類の光合成を促す水中用照明１とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中または海水中に沈めて配置され、その放出光によりクロロフィルを有する藻類の光合成を促す水中用照明において、
回路パターンが形成されたガラス基板と、
前記ガラス基板上に複数配列され、前記回路パターンに導電接続される、青色ＬＥＤおよび赤色ＬＥＤと、
前記青色ＬＥＤと前記赤色ＬＥＤと、これらが実装された前記ガラス基板の表面側と、に密着し一体に封止する熱融着ガラスからなるガラス封止部と、
を備える水中用照明。
【請求項２】
前記赤色ＬＥＤは、前記回路パターンに対しフリップチップ実装される、ことを特徴とする請求項１に記載の水中用照明。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水中用照明を用いた海水中植物の養殖装置であって、
前記海水中に沈めて配置される前記水中用照明と、
前記海水の外部に配置され、前記水中用照明に供給する電力を制御する外部電源と、
前記水中用照明および前記外部電源とを互いに接続するケーブルと、
を有することを特徴とする養殖装置。
【請求項４】
前記ガラス封止部は、前記ガラス基板上に配置される紫外ＬＥＤを更に一体に封止し、
前記紫外ＬＥＤの放出光により前記前記海水中の細菌を殺菌する
ことを特徴とする請求項３に記載の養殖装置。
【請求項５】
海水中に沈めて配置され、フィコビリンを有する藻類の光合成を促す海水中用照明において、
回路パターンが形成されたガラス基板と、
前記ガラス基板上に複数配列され、前記回路パターンに導電接続される緑色ＬＥＤと、
前記緑色ＬＥＤと、これらが実装された前記ガラス基板の表面側と、に密着し一体に封止する熱融着ガラスからなるガラス封止部と、
を備える海水中用照明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に設置可能なＬＥＤ固体照明、及び、ＬＥＤ固体照明により水草・海草などの光合成を促進させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、植物にＬＥＤ光のような単色光を照射し、成長を促進させ養殖する技術が注目されている。
植物は、二酸化炭素を炭素源とし、光をエネルギー源とする光合成を利用して成長する。このため光合成を行う光合成色素（クロロフィル、カルテノイド、フィコビリンなど）に対し、より取り込みやすく、吸収しやすい光を効率的に供給できれば、植物の成長を促進させることができる。
【０００３】
図１にクロロフィルａ、ｂの光吸収スペクトルを示す。クロロフィルは４００〜４８０ｎｍの青色光と、６００〜７００ｎｍの赤色光の波長領域で、強い光吸収が生じる。このため光供給源として青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤとを用いることで、植物の成長を促進させることができる（特許文献１）。
また特許文献２には、８００ｎｍ以上の近赤外光により、水中の光合成細菌を増殖させ、水を浄化させる技術も提案されている。
【０００４】
これら原理を適用し、水中の植物に対してＬＥＤ光を照射することで光合成や植物の成長を促進させ、養殖させようとする技術がある。
水草や海草などの水中に生息する植物では、太陽光などの外光が水により吸収・散乱されてしまうため、特に水深の深いエリアでは光合成を行うことが困難である。
【０００５】
上記問題を鑑み、水中に光を効果的に供給するための手段として、水中に照明を沈め、植物のより近くから光照射することが考えられる。このような照明として特許文献３には、ＬＥＤを線状に配列しケース体に収め防水構造としたＬＥＤ固体照明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１０３１６７
【特許文献２】実用新案登録３０７３９０８
【特許文献３】特開２００９−０２２１９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献３に記載のＬＥＤ固体照明では、ＬＥＤを透明樹脂で封止した構成のため、透明樹脂がＬＥＤ光により劣化（濁色化）してしまい、長時間の使用には適さない。さらに線状のＬＥＤ光源部を、アクリル蓋材とケース体とで気密封止した防水構造としているため、光源部とアクリル蓋材との間に空気（不活性ガスなどの気体、または真空状態）が存在し、これによりＬＥＤから発せられた光が、各界面においてその屈折率差により反射してしまい、効果的に光を放出できない。またこの空気によりケース体の内外で断熱された構造となるため、ケース体内に熱がこもり、ＬＥＤの発光効率が低下する。
【０００８】
以上のような照明内部に不活性ガスなどの気体を充填した照明、または真空雰囲気とする照明では、水圧や外部からの衝撃に耐えるため、耐圧ガラスなどの高強度で大型の非常に高価なケースを用いる必要があり、コストが増大してしまう。
また気体封入や真空形成を行わないような、例えば特許文献３に記載された光源部分のみ、即ち、単にＬＥＤをエポキシやシリコーンなどの透明樹脂で封止したのみ、の照明を水中灯として適用した場合、封止樹脂が水圧により収縮・圧縮され、樹脂内部のＬＥＤ、ワイヤなどの配線部に負荷がかかり、封止樹脂の剥離や断線などの問題が生じてしまう。また海水中では封止樹脂が塩分により劣化してしまうなどの問題も発生する。
【０００９】
本発明は上記した問題を鑑み、水中に設置可能な高耐圧で長寿命なＬＥＤ固体照明、及び、これを用いた養殖装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、ガラス基板上に青色ＬＥＤ、及び赤色ＬＥＤを複数配列し、熱融着ガラスで一体に封止しガラス封止部を形成した水中用照明、とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱融着ガラスで封止された水中用照明そのものが防水機能を有することとなり、構造が大幅に簡略化され、低コストで小型の水中用照明を得ることができる。
またガラス封止部を用いたことで光や熱による劣化を抑制できる他、水中に含まれる塩素など不純物の、内部への浸透等による水中用照明の破損、破壊を、大型の防水ケースなど用いることなく防止することができる。
さらにガラス封止部とＬＥＤ、およびガラス封止部と基板、との間に空気が入り込まないよう密着させ一体に封止することで、内部に熱がこもることに伴う発光効率の低下や、光が界面で全反射することによる光のロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】クロロフィルの光吸収スペクトルを示す。
【図２】本発明の水中用照明により養殖装置を構成した模式説明図である。
【図３】本発明の水中用照明の拡大斜視図である。
【図４】本発明の水中用照明の内部構造を示した図面である。
【図５】本発明の水中用照明の製造方法を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図２から図５は本発明の実施形態を示したものである。
図２に示すよう、本発明の水中用照明１は、水中に沈め海水中の植物２の近傍に配置することで、光を植物のより近くから供給して光合成を促進させる。水中に沈めて配置された水中用照明１には、供給電力を制御し供給する外部電源４が、ケーブル３を介して接続されている。外部電源４にまで防水機能を持たせることは、コスト状あまり好ましいことでないため、海水に触れないよう外部に配置されている。しかしこのような構成とすることで、複数の端子（ポート）を備える外部電源４に多数の水中用照明１を接続し、単一の外部電源４により養殖装置全体の照明を一括で制御することも可能となる。
以上のような構成により、本発明の養殖装置が構成される。
【００１４】
次に図３から図５を用い、本発明の水中用照明１について説明する。
この水中用照明１の基本構成は、ガラス基板１１、回路パターン１２、ＬＥＤ１３、ガラス封止部１４からなる。
（ＬＥＤ１３）
【００１５】
ＬＥＤ１３は、青色光を発光する青色ＬＥＤ１３ａと、赤色光を発光する赤色ＬＥＤ１３ｂと、で構成される。青色ＬＥＤ１３ａ、および赤色ＬＥＤ１３ｂにより、植物の光合成および成長を促進させることができる。この他に紫外光を発光する紫外ＬＥＤを加えても良い。植物２にとって有害な水中の細菌を紫外光により殺菌し、植物の育成を補助することができるためである。
【００１６】
青色ＬＥＤ１３ａ、及び前述の紫外ＬＥＤは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）からなる成長基板の表面に、ＩｎＧａＡｌＮ系のＩＩＩ族窒化物系半導体をエピタキシャル成長させることにより、バッファ層と、ｎ型層と、ＭＱＷ層と、ｐ型層とがこの順で形成されている。青色ＬＥＤ１３ａは、７００℃以上で成長し、その耐熱温度は６００℃以上であり、後述する低融点のガラス封止部１４を用いた封止加工における加工温度に対し安定である。青色ＬＥＤ１３ａは、回路パターン１２の形成されたガラス基板１１に対し、Ａｕバンプを介してフリップチップ実装される。
【００１７】
赤色ＬＥＤ１３ｂは、ＧａＡｓ系などのＩＩＩ−Ｖ族半導体で構成される。このため成長温度が青色ＬＥＤ１３ａに比べ低く、後述の熱融着ガラスを用いた封止加工の加工温度に耐えられない場合が生じうる。
このため加工温度に対する安定性を重視するのであれば、青色ＬＥＤ１３ａと同様のＩＩＩ族窒化物系半導体で構成することが好ましいが、現状での発光効率はＧａＡｓ系に比べて低い。よってＩＩＩ族窒化物系半導体とＧａＡｓ系を、発光効率や生産性の観点で、所望に応じ使い分けることが好ましい。
【００１８】
また赤色ＬＥＤ１３ｂは一般に、垂直型（または縦型、上下型など）と呼ばれる、チップ上下面にそれぞれ電極を形成するものが多い。この場合、一方の電極をワイヤ接続することとなるため、後述の熱融着ガラスによる封止加工の際、ワイヤがつぶれ破断してしまう。このため青色ＬＥＤ１３ａと同様に、赤色ＬＥＤ１３ｂについても一面にｎ電極およびｐ電極が形成されたチップを用い、フリップチップ実装することが好ましい。
（ガラス基板１１、回路パターン１２）
【００１９】
ガラス基板１１はＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系ガラスで構成されている。その表面には回路パターン１２が、ＬＥＤ１３の電極形状にあわせて形成されている。
ガラス基板１１としては、ゾルゲルガラスやセラミックスなどの多結晶焼結材料を用いることもできる。しかし焼結材料は多孔質体からなり、無数の孔を有している。このため水中用照明としては防水機能が低下するため、長時間の使用には好ましくない。このため単位面積（体積）あたりの孔数の少ない、後述のガラス封止部１４と同様の熱融着ガラスを用いることが好ましい。熱融着ガラスを用いることで防水性が高まる他、透明性を有するため、ガラス基板１１側からもＬＥＤ１３の光が放出され、周囲の植物２をより少ない数で照明し養殖できるためである。
【００２０】
本実施例において回路パターン１２は、３つの直列接続されたＬＥＤ１３が３列に並列接続された構造となっている。一般にＬＥＤの駆動電圧はその組成により決まり、本願のＩｎＧａＡｌＮ系の青色ＬＥＤ１３ａは３．０〜３．５Ｖ、ＧａＡｓ系の赤色ＬＥＤ１３ｂは２．５〜３．０Ｖである。このため単純にこれらＬＥＤ１３を並列接続すると各ＬＥＤ１３を流れる電流値が所望の値から大きく異なり、輝度の違いとなってあらわれたり故障の原因となる。
このため図示しない抵抗素子をいれて電流値を調整したり、青色ＬＥＤ１３ａと赤色ＬＥＤ１３ｂの実装個数を変更し、各ＬＥＤ１３に印加される電圧、電流値を所望の範囲内とすることが考えられる。または本実施例においては２端子型の水中用照明１としているが、４端子型として青色ＬＥＤ１３ａと赤色ＬＥＤ１３ｂとを別に駆動、制御するなどの構成としても良い。
（ガラス封止部１４）
【００２１】
ガラス封止部１４は、熱融着ガラスを加熱し軟化させ、ＬＥＤ１３がＡｕバンプを介し回路パターン１２にフリップチップ実装されたガラス基板１１に接触させ押圧する、ホットプレス加工により形成される。熱融着ガラスはＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ２−Ｎｂ２Ｏ５−Ｌｉ２Ｏ系のガラスである。尚、ガラスの組成はこれに限定されるものではなく、例えばＬｉ２Ｏを含有しなくてもよいし、任意成分としてＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を含んでいても良い。
この熱融着ガラスは、ガラス転位温度Ｔｇが４９０℃、屈伏点Ａｔが５２０℃、軟化点が５４５℃であり、青色ＬＥＤ１３ａのエピタキシャル成長温度よりも、ガラス転移温度Ｔｇが２００℃以上低くなっている。
また熱融着ガラスの１００℃〜３００℃における熱膨張率αは６×１０−６／℃である。熱膨張率αはガラス転移温度Ｔｇを超えると、より大きな値となる。これにより熱融着ガラスは約５５０℃でガラス基板１１と接着し、ホットプレス加工が可能となっている。
【００２２】
熱融着ガラスからなるガラス封止部１４が軟化、溶解してガラス基板１１に密着するため、界面に隙間が形成されない。このため防水性に優れた水中用照明１を得ることが可能となる。また、ガラス基板１１にも熱融着ガラスを用いることで、ホットプレス加工時にガラス基板１１の表面も軟化し、ガラス封止部１４とより強固に隙間なく封止加工することができる。このような構成により、さらに防水性を高めることが出来る。
【００２３】
ガラス転移温度Ｔｇが比較的低く、熱膨張率が比較的小さいガラスとしては、例えば、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系（ＲはＬｉ、Ｎａ、Ｋ等のＩ族の元素から選ばれる少なくとも１種）のガラス、リン酸系のガラス及び鉛ガラスが挙げられる。これらのガラスでは、ＺｎＯ−ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ系のガラスが、リン酸系のガラスに比して耐湿性が良好で、鉛ガラスのように環境的な問題が生じることがないので好適である。またガラス転移温度が低いことで、前述の赤色ＬＥＤ１３ｂにおける封止加工の生産性が向上し、選択の幅が広がるためより好ましい。
【００２４】
ここで、熱融着ガラスとは加熱により軟化状態として成形したガラスであり、ゾルゲル法により成形されるガラスと異なる。ゾルゲルガラスでは成形時の体積変化が大きいのでクラックが生じやすくガラスによる厚膜を形成することが困難であるところ、熱融着ガラスはこの問題点を回避することができる。また、ゾルゲルガラスでは細孔を生じるので気密性を損なうことがあるが、熱融着ガラスはこの問題点を生じることもなく、ＬＥＤ１３の封止を的確に行うことができる。このため防水性に優れた水中用照明１を得ることができる。
【００２５】
以上で構成される水中用照明１は、従来の樹脂封止された照明装置と比べ、構造が簡素化されつつも防水性を容易に確保できる。
また水中用照明１全体が熱融着ガラスや金属パターンで形成される回路からなり、内部に有機物を含まずに構成できるため、光、及び熱に対して、非常に安定な光源とすることが出来る。
さらに、ガラス基板１１、ＬＥＤ１３、とガラス封止部１４の間が、ホットプレス加工により密着し、内部に気体などが含まれないよう形成することで、耐水圧性も付与される。
【００２６】
本実施例においては、クロロフィルの２つの光吸収帯に光照射するため、青色ＬＥＤ１３ａ及び赤色ＬＥＤ１３ｂを用いたＬＥＤ１３を示した。
しかしクロロフィル以外の光合成色素である、カルテノイド、フィコビリンに対して光照射する場合は、それぞれの光吸収帯の波長域で発光するＬＥＤ１３を用いなければならない。カルテノイドは緑色〜青色領域に光吸収帯を有し、また、フィコビリンは緑色領域の光を強く吸収する。このためカルテノイドを含有する植物に対しては青色ＬＥＤ及び／または緑色ＬＥＤを、フィコビリンを多く含有する藻類などの植物に対しては緑色ＬＥＤを、夫々用いることでより効果的に光合成、養殖を促進させることができる。
【００２７】
なお、上述した形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で適宜変形、応用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の水中用照明は、海藻類の養殖装置として適用できるほか、水中に沈めて使用する照明やイルミネーションなどの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００２９】
１    水中用照明
２    植物
３    ケーブル
４    外部電源
１１  ガラス基板
１２  回路パターン
１３  ＬＥＤ
１４  ガラス封止部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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