JP4538719B2

JP4538719B2 - Ｌｅｄ点灯装置および照明器具

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Publication number: JP4538719B2
Application number: JP2004107979A
Authority: JP
Inventors: 拓朗平松; 充彦西家; 征彦鎌田; 恵一清水
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005294063A

Description

本発明は、発光ダイオードを点灯させるＬＥＤ点灯装置および照明器具に関する。

直流電源によりインダクタが励磁され、直流電源のオフ時にインダクタに蓄積された電磁エネルギーによる回生電流を発光ダイオードに流して、発光ダイオードを高効率で点灯させるＬＥＤ点灯装置が知られている。例えば、直流電源にスイッチング素子を介してインダクタおよび発光ダイオードの直列回路が接続され、この直列回路に並列的に接続され、スイッチング素子のオフ時に当該直列回路と閉回路を形成するダイオードを有するＬＥＤ点灯装置が知られている(例えば、特許文献１参照。)。この従来技術は、他励式のＬＥＤ点灯装置であり、スイッチング手段をＰＧ（制御手段）によりオンオフ制御している。

また、直流電源にインダクタ、スイッチング素子およびダイオードを具備した昇圧チョッパを接続し、昇圧チョッパの直流出力によって発光ダイオードを点灯させているＬＥＤ点灯装置が提案されている(例えば、特許文献２参照。)。この従来技術は、他励式であり、発光ダイオードに流れる電流(ＬＥＤ電流)を帰還する帰還回路およびスイッチング素子に流れる電流(スイッチング電流)を検出する検出回路を設け、制御回路がＬＥＤ電流およびスイッチング電流に応じてスイッチング素子をオンオフ制御している。
特開２００２−１８４５８８号公報（第３頁、第１図）特開２００１−３１３４２３号公報（第５−６頁、第１図）

特許文献１および特許文献２は、発光ダイオードに流れる電流を一定制御するために、発光ダイオードに流れる電流などを検出し、制御回路が当該検出に応じてスイッチング素子をオンオフ制御するので、電流検出回路などを設けることになり、回路構成が複雑となって高価になるという欠点を有する。

本発明は、発光ダイオードを高効率で点灯させる自励式のＬＥＤ点灯装置および照明器具を提供することを目的とする。

請求項１に記載のＬＥＤ点灯装置の発明は直流電源と；直流電源によって励磁されるインダクタと；インダクタと共に直流電源に直列的に接続される発光ダイオードと；直流電源と、インダクタおよび発光ダイオードとの接続を開閉するスイッチング素子と；スイッチング素子がオフのときに、インダクタと発光ダイオードとともに閉回路を形成するように接続されたダイオードと；発光ダイオードに流れる電流に相関する電流をスイッチング素子の制御端子に帰還してスイッチング素子をオンさせる帰還回路と；スイッチング素子の出力端子に直列的に接続された第１の抵抗と；スイッチング素子の制御端子および出力端子間に第１の抵抗を介して接続され、第１の抵抗に流れる電流に応じてスイッチング素子の制御端子および出力端子間の電圧が変化するように作用する高インピーダンスの第２の抵抗と；を具備していることを特徴とする。

本発明および以下の各発明において、特に言及しない限り、各構成は以下による。

直流電源は、バッテリ、交流電圧を整流または整流平滑したもの、あるいは整流平滑回路にチョッパ回路を形成して平滑したものなど、直流電圧を出力するものであればよい。

発光ダイオードは、面実装形または砲弾形のいずれであってもよい。また、１個または複数個のどちらであってもよく、複数個の場合、直列接続または直並列接続を許容する。

第２の抵抗は、高インピーダンスであるので、第１の抵抗の両端電圧に応じてスイッチング素子の制御端子および出力端子間の電圧が変化する。そして、第１の抵抗の両端電圧は、第１の抵抗に流れる電流に応じて変化する。

本発明によれば、第１の抵抗に流れる電流に応じてスイッチング素子の制御端子および出力端子間の電圧が変化され、スイッチング素子のオンオフ周波数が変化される。

請求項２に記載の照明器具の発明は、請求項１記載のＬＥＤ点灯装置と；このＬＥＤ点灯装置を配設している照明器具本体と；を具備していることを特徴とする。

本発明によれば、発光ダイオードに流れる電流が一定に制御される自励式のＬＥＤ点灯装置を具備しているので、照明器具が安価に形成される。

請求項１の発明によれば、スイッチング素子に直列的に接続されている第１の抵抗に流れる電流に応じて、スイッチング素子の制御端子および出力端子間の電圧が変化されてスイッチング素子のオンオフ周波数が変化されるので、自励式の点灯回路により発光ダイオードに流れる電流を一定に制御することができる。

請求項２の発明によれば、自励式であって、発光ダイオードに流れる電流が一定に制御される請求項１記載のＬＥＤ点灯装置を具備するので、安価な照明器具を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。ＬＥＤ点灯装置１は、直流電源２、点灯回路部３、発光ダイオード４を有して構成されている。直流電源２は、例えば商用交流電圧を整流平滑して直流電圧を出力するように形成されている。点灯回路部３は、発光ダイオード４を点灯させる。そして、発光ダイオード４は、複数個が直列接続され、電流が流れると、例えば白色光を放射するように形成されている。

点灯回路部３は、インダクタＬ１、第１のスイッチング素子としての電界効果トランジスタＦＥＴ１、ダイオードＤ１、帰還回路５、電流検出手段としての抵抗Ｒ１および第２のスイッチング手段としてのバイポーラトランジスタＴｒ１を有して構成されている。

インダクタＬ１は、発光ダイオード４と直列的に接続され、かつ直流電源２に直列的に接続されている。インダクタＬ１は、直流電源２から供給される電流によって励磁され、電磁エネルギーが蓄積される。

電界効果トランジスタＦＥＴ１は、直流電源２と、インダクタＬ１および発光ダイオード４の直列回路の間に接続され、直流電源２と、インダクタＬ１および発光ダイオード４との接続を開閉する。そして、ダイオードＤ１は、インダクタＬ１および発光ダイオード４の直列回路と並列的に接続され、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオフのときに、当該直列回路とともに閉回路を形成している。

帰還回路５は、インダクタＬ１の２次巻線Ｌ１ｂ、この２次巻線Ｌ１ｂに直列接続された抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ１の並列回路からなり、インダクタＬ１の１次巻線Ｌ１ａの電界効果トランジスタＦＥＴ１側の一端と電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子間に接続されている。帰還回路５は、インダクタＬ１に流れる電流、すなわち発光ダイオード４に流れる電流に相関する電流を電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に帰還して電界効果トランジスタＦＥＴ１をオンさせる。ここで、抵抗Ｒ２およびコンデンサＣ１の並列回路は、帰還電流を電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に流すタイミングおよび電流量を調整する。

そして、帰還回路５と並列的に、カソードが電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子側となるようにしてダイオードＤ２が接続されている。帰還回路５およびダイオードＤ２は、閉回路を形成している。そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオフしたときに、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に蓄積された電荷を引き抜くとともに、コンデンサＣ１の充電電荷を当該閉回路内で放電させる。

そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１の入力端子(ドレイン)および制御端子(ゲート)間に起動用の抵抗Ｒ３が接続されている。抵抗Ｒ３は、直流電源２が投入されたときに起動電流を電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に供給して電界効果トランジスタＦＥＴ１をオンさせる。

電流検出手段としての抵抗Ｒ１は、電界効果トランジスタＦＥＴ１およびインダクタＬ１間において、電界効果トランジスタＦＥＴ１の出力端子(ソース)に直列的に接続されている。抵抗Ｒ１は、電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流を検出する。すなわち、抵抗Ｒ１の両端間に当該電流に応じた電圧が発生する。

そして、第２のスイッチング手段としてのバイポーラトランジスタＴｒ１は、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子（ゲート）および出力端子（ソース）間に抵抗Ｒ１を介して接続されている。すなわち、バイポーラトランジスタＴｒ１のコレクタが電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に接続され、エミッタおよびベース間に抵抗Ｒ１が接続されている。これにより、抵抗Ｒ１の両端電圧がバイポーラトランジスタＴｒ１のベースに印加される。

バイポーラトランジスタＴｒ１は、抵抗Ｒ１の両端電圧に応じて、コレクタ側からエミッタ側に電流が流れる。バイポーラトランジスタＴｒ１のエミッタは、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に接続され、この制御端子に帰還回路５により帰還電流が供給されているので、抵抗Ｒ１の両端電圧に応じて帰還電流が変化される。抵抗Ｒ１の両端電圧は、抵抗Ｒ１に流れる電流すなわち電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流により発生するので、抵抗Ｒ１に流れる電流（電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流）に応じて、帰還回路５により電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に帰還される電流(帰還電流)が変化される。そして、当該帰還電流の変化により、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオン期間またはオフ期間が変化されてオンオフ周波数が変化される。

なお、電流検出手段としての抵抗Ｒ１は、限流用の抵抗を兼ねている。

そして、インダクタＬ１および発光ダイオード４間に、発光ダイオード４と並列的に平滑用コンデンサＣ２および抵抗Ｒ４が接続されている。平滑用コンデンサＣ２および抵抗Ｒ４により、例えば発光ダイオード４の接続が確認される。すなわち、直流電源２が投入されたにも係わらず発光ダイオード４が点灯しないとき、平滑用コンデンサＣ２および抵抗Ｒ４の両端間に所定の電圧が検出されると、発光ダイオード４に接続されているリード線が断線しているなど、発光ダイオード４が接続されていないことを確認できる。

次に、ＬＥＤ点灯装置１の動作について述べる。

直流電源２が投入されると、起動用の抵抗Ｒ３により、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオンする。そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオンすると、直流電源２から供給される電流が、電界効果トランジスタＦＥＴ１、抵抗Ｒ１、インダクタＬ１および発光ダイオード４の経路で流れ、発光ダイオード４が点灯するとともに、インダクタＬ１に電磁エネルギーが蓄積される。このとき、帰還回路５により帰還電流が電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に流れて、電界効果トランジスタＦＥＴ１は、オン状態を継続する。

そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１に所定の電流が流れると、電界効果トランジスタＦＥＴ１はオフする。すると、帰還回路５およびダイオードＤ２の閉回路に電流が流れ、帰還電流により電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に蓄積された電荷が引き抜かれるとともに、コンデンサＣ１の電荷が放電される。

また、インダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーによる電流が、インダクタＬ１、発光ダイオード４およびダイオードＤ１の閉回路内で流れ、発光ダイオード４が点灯するとともに、インダクタＬ１の電磁エネルギーが消費される。このインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーによる回生電流により発光ダイオード４が点灯されるので、発光ダイオード４は高効率で点灯される。そして、インダクタＬ１に電流が流れているときに、帰還回路５に帰還電流が流れ、この帰還電流が遅延されて電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に供給され、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオンする。以下、上述を繰り返す。

そして、抵抗Ｒ１に流れる電流（抵抗Ｒ１の両端電圧）に応じて、バイポーラトランジスタＴｒ１のコレクタからエミッタに電流が流れ、帰還回路５により電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に供給される帰還電流が変化される。これにより、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオン期間またはオフ期間が変化されてオンオフ周波数が変化される。そして、抵抗Ｒ１に流れる電流に応じて、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオンオフ周波数が変化されることにより、発光ダイオード４に流れる電流が予め設定された一定の電流に制御される。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。

図２は、本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。なお、図１と同一部分には部分には同一符号を付して説明は省略する。

図２に示すＬＥＤ点灯装置６は、図１に示すＬＥＤ点灯装置１において、電流検出手段としての抵抗Ｒ１を電界効果トランジスタＦＥＴ１およびダイオードＤ１の接続点Ａ１に接続するようにしてダイオードＤ１およびインダクタＬ１間に接続したものである。

抵抗Ｒ１には、電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流またはインダクタＬ１に蓄積された電磁エネルギーによる電流が流れる。そして、図１に示すＬＥＤ点灯装置１と同様、抵抗Ｒ１に流れる電流に応じて、バイポーラトランジスタＴｒ１のコレクタ側からエミッタ側に電流が流れ、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオンオフ周波数が変化され、発光ダイオード４に流れる電流が予め設定された一定の電流に制御される。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図３〜図４は、本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。なお、図１〜図２と同一部分には部分には同一符号を付して説明は省略する。

図３に示すＬＥＤ点灯装置７は、図１に示すＬＥＤ点灯装置１において、抵抗Ｒ１およびインダクタＬ１の接続点Ａ２と、ダイオードＤ１との間に限流用の抵抗Ｒ５を接続したものである。抵抗Ｒ５は、抵抗Ｒ１と共に、発光ダイオード４に流れる電流を所定の電流値に設定する。

また、図４に示すＬＥＤ点灯装置８は、図２に示すＬＥＤ点灯装置６において、電界効果トランジスタＦＥＴ１および抵抗Ｒ１の接続点Ａ１と、ダイオードＤ１との間に限流用の抵抗Ｒ６を接続したものである。抵抗Ｒ６は、抵抗Ｒ１と共に、発光ダイオード４に流れる電流を所定の電流値に設定する。

なお、第１〜第３の実施形態において、第１のスイッチング素子としての電界効果トランジスタＦＥＴ１は、バイポーラトランジスタであってもよく、第２のスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタＴｒ１は、電界効果トランジスタであってもよいものである。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。

図５は、本発明の第４の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。なお、図１と同一部分には部分には同一符号を付して説明は省略する。

図５に示すＬＥＤ点灯装置９は、図１に示すＬＥＤ点灯装置１において、電流検出手段としての抵抗Ｒ１に代えて第１の抵抗としての抵抗Ｒ７が接続され、第２のスイッチング手段としてのバイポーラトランジスタＴｒ１に代えて第２の抵抗Ｒ８が接続されている。すなわち、抵抗Ｒ７は、電界効果トランジスタＦＥＴ１の出力端子(ソース)に直列的に接続され、電界効果トランジスタＦＥＴ１と、インダクタＬ１およびダイオードＤ１の接続点Ａ３との間に介挿されている。また、抵抗Ｒ８は、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子(ゲート)および出力端子(ソース)間に抵抗Ｒ７を介して接続されている。抵抗Ｒ８は、高抵抗値(高インピーダンス)例えば１００ＫΩを有している。

また、帰還回路５に代えて、インダクタＬ１の２次巻線Ｌ１ｂ、抵抗Ｒ９およびコンデンサＣ３の直列回路からなる帰還回路１０がインダクタＬ１の１次巻線Ｌ１ａの電界効果トランジスタＦＥＴ１側の一端と電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子間に接続されている。

帰還回路１０は、インダクタＬ１に流れる電流、すなわち発光ダイオード４に流れる電流に相関する電流を電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に帰還して電界効果トランジスタＦＥＴ１をオンさせる。また、電界効果トランジスタＦＥＴ１がオフしたときに、ダイオードＤ２との閉回路内でコンデンサＣ３の充電電荷を放電させるとともに、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子に蓄積された電荷を引き抜くようにしている。

また、インダクタＬ１および発光ダイオード４の間に、発光ダイオード４と並列的に平滑用コンデンサＣ２が接続されている。

そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子(ゲート)および出力端子(ソース)間に接続されている抵抗Ｒ７および抵抗Ｒ８のうち、抵抗Ｒ８は、高インピーダンスであるので、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子および出力端子間の電圧は、ほぼ抵抗Ｒ７の両端電圧によって変化するように作用する。そして、抵抗Ｒ７は、電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流が流れ、両端間に当該電流に応じた電圧が発生する。

そして、電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流が変化すると、抵抗Ｒ７の両端電圧が変化する。この結果、電界効果トランジスタＦＥＴ１の制御端子および出力端子間の電圧が変化するので、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオン期間またはオフ期間が変化され、オンオフ周波数が変化される。これにより、発光ダイオード３に流れる電流が予め設定された一定の電流に制御される。

上述したように、抵抗Ｒ７に流れる電流に応じて、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオンオフ周波数が変化されることにより、発光ダイオード４に流れる電流が予め設定された一定の電流に制御される。

なお、第１の抵抗としての抵抗Ｒ７は、限流用の抵抗を兼ねている。

次に、本発明の第５の実施形態について説明する。

図６は、本発明の第５の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。なお、図５と同一部分には部分には同一符号を付して説明は省略する。

図６に示すＬＥＤ点灯装置１１は、図５に示すＬＥＤ点灯装置９において、第１の抵抗としての抵抗Ｒ７を電界効果トランジスタＦＥＴ１およびダイオードＤ１の接続点Ａ４に接続するようにしてダイオードＤ１およびインダクタＬ１間に接続したものである。

抵抗Ｒ７には、電界効果トランジスタＦＥＴ１に流れる電流またはインダクタに蓄積された電磁エネルギーによる電流が流れる。そして、図５に示すＬＥＤ点灯装置９と同様、抵抗Ｒ７に流れる電流に応じて、電界効果トランジスタＦＥＴ１のオンオフ周波数が変化されることにより、発光ダイオード４に流れる電流が予め設定された一定の電流に制御される。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。

図７〜図８は、本発明の第６の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図である。なお、図５〜図６と同一部分には部分には同一符号を付して説明は省略する。

図７に示すＬＥＤ点灯装置１１は、図５に示すＬＥＤ点灯装置９において、抵抗Ｒ７およびインダクタＬ１の接続点Ａ３と、ダイオードＤ１との間に限流用の抵抗Ｒ９を接続したものである。抵抗Ｒ９は、抵抗Ｒ７と共に、発光ダイオード４に流れる電流を所定の電流値に設定する。

図８に示すＬＥＤ点灯装置１３は、図６に示すＬＥＤ点灯装置１１において、電界効果トランジスタＦＥＴ１および抵抗７の接続点Ａ４と、ダイオードＤ１との間に限流用の抵抗Ｒ１０を接続したものである。抵抗Ｒ１０は、抵抗Ｒ７と共に、発光ダイオード４に流れる電流を所定の電流値に設定する。

なお、第４〜第６の実施形態において、スイッチング素子としての電界効果トランジスタＦＥＴ１は、バイポーラトランジスタであってもよいものである。

次に、本発明の第７実施形態について説明する。

図９は、本発明の第７の実施形態を示すＬＥＤ照明器具の一部切り欠き概略側面図である。なお、図１と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。

図９に示す照明器具１４は、天井面１５に配設される直付け照明器具であり、図１に示すＬＥＤ点灯装置１および照明器具本体１６を有して構成されている。

照明器具本体１６は、下面に開口１６ａを有して箱状に形成され、内部に基板１７を配設している。基板１７には、直列接続された複数の発光ダイオード４が開口１６ａに臨んで配設されている。そして、照明器具本体１６は、上面側に設けられた所定長の連結管１８，１８によりアダプタ１９に支持されている。

アダプタ１９は、略円柱状に形成され、内部にＬＥＤ用点灯装置２０を収納している。ＬＥＤ用点灯装置２０は、ＬＥＤ点灯装置１より発光ダイオード４が除去されたものである。そして、アダプタ１９は、天井面１５に配設された引掛シーリング２１に接続されている。そして、ＬＥＤ用点灯装置２０の出力端子からリード線２２，２２が導出され、このリード線２２，２２は、連結管１８，１８内を挿通して基板１７に接続されている。

照明器具１４は、ＬＥＤ用点灯装置２０の制御により、発光ダイオード４に流れる電流が一定に制御され、発光ダイオード４からの放射光が一定化される。また、自励式のＬＥＤ点灯装置１を具備するので、安価に形成される。

なお、照明器具本体１６は、箱状に限定されるものではなく、円状など、その形状は問わない。また、照明器具１４は、直付け形照明器具に限らず、吊り下げ形照明器具、ダウンライトなどの埋込形照明器具など、その用途は問わない。

本発明の第１の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第２の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第３の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。同じく、別のＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第４の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第５の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第６の実施形態を示すＬＥＤ点灯装置の回路図。同じく、別のＬＥＤ点灯装置の回路図。本発明の第７の実施形態を示す照明器具の一部切り欠き概略側面図。

符号の説明

Ｄ１…ダイオード
ＦＥＴ１…第１のスイッチング素子またはスイッチング素子としての電界効果トランジスタ
Ｌ１…インダクタ
Ｒ１…電流検出手段としての抵抗
Ｒ７…第１の抵抗
Ｒ８…第２の抵抗
Ｔｒ１…第２のスイッチング素子としてのバイポーラトランジスタ
１，６，７，８，９，１１，１２，１３…ＬＥＤ点灯装置
２…直流電源
４…発光ダイオード
５，１０…帰還回路
１４…照明器具
１６…照明器具本体

Claims

直流電源と；
直流電源によって励磁されるインダクタと；
インダクタと共に直流電源に直列的に接続される発光ダイオードと；
直流電源と、インダクタおよび発光ダイオードとの接続を開閉するスイッチング素子と；
スイッチング素子がオフのときに、インダクタと発光ダイオードとともに閉回路を形成するように接続されたダイオードと；
発光ダイオードに流れる電流に相関する電流をスイッチング素子の制御端子に帰還してスイッチング素子をオンさせる帰還回路と；
スイッチング素子の出力端子に直列的に接続された第１の抵抗と；
スイッチング素子の制御端子および出力端子間に第１の抵抗を介して接続され、第１の抵抗に流れる電流に応じてスイッチング素子の制御端子および出力端子間の電圧が変化するように作用する高インピーダンスの第２の抵抗と；
を具備していることを特徴とするＬＥＤ点灯装置。
請求項１記載のＬＥＤ点灯装置と；
このＬＥＤ点灯装置を配設している照明器具本体と；
を具備していることを特徴とする照明器具。