JP2008277107A

JP2008277107A - 照明器具

Info

Publication number: JP2008277107A
Application number: JP2007118819A
Authority: JP
Inventors: Iwatomo Moriyama; 厳與森山
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】簡易な構成により発光ダイオード等の半導体発光素子におけるジャンクション温度を一定温度以下にすることが可能な照明器具を提供する。
【解決手段】半導体発光素子１１ａを有し、凹部の底面距離がＬ、凹部高さがＨである断面略凹部２０に配設される照明器具において、底面距離Ｌと凹部高さＨの２次式で規定される半導体発光素子のジャンクション温度Ｔが所定範囲となるように、前記底面距離Ｌおよび凹部高さＨが定められる前記断面略凹部に配設される照明器具１１を構成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光ダイオード等の半導体発光素子を備えた照明器具に関する。

近年、光源として発光ダイオードを用いた略矩形状の面状光源をなすライン形の照明器具が開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。この種の照明器具は、直線的に連続した照射ができることから、什器、床、壁面等に設置され、さらには埋込形の器具として使用されている。

特許文献１には、複数の発光モジュールを面状に縦横に配置し、電源部を持つ発光モジュールを千鳥状に配設し、発光モジュールの温度分布を均一化して、均一な発光面を得るための面型照明器具が示されている。また、特許文献２には、複数個の発光ダイオードを直線状に配置して足元灯を構成し、この足元灯をマンション等の外壁に埋め込まれた箱体内に設置した埋め込み型照明器具が示されている。
特開２００６−２６９１３６号公報特開２００４−２４７０７５号公報

一方、この種の発光ダイオードを光源とした照明器具においては、例えば、発光ダイオードのジャンクション温度Ｔは、Ｔ＜１２０℃（器具込み周囲温度Ｔａ＝３５℃）等の制約があり、器具寿命を左右することから器具点灯中における発光ダイオードのジャンクション温度を一定温度以下にすることが重要な課題となっている。特に、特許文献２に示されような、ボックス内等、凹部に埋め込まれる埋込形の照明器具においては、発光ダイオードが凹部で囲まれた空間内に設置されるためにジャンクション温度が高くなりやすい。

これに対し、特許文献１に示される面型照明器具は、もっぱら発光モジュールにおける温度分布の均一化に言及したもので、発光ダイオードのジャンクション温度には言及されておらず、器具寿命の向上を図ることには至っていない。さらに、特許文献２に示される埋め込み型照明器具は、シリコーン等の放熱性充填剤をケース内に充填し、発光ダイオードや電源回路の抵抗体から発せられる熱を逃がし、また、発光ダイオードの回路基板と電源回路の基板を分離し、抵抗体から発せられる熱が発光ダイオードに伝わり難くなるようにして発光ダイオードの劣化を抑制している。

しかしながら、特許文献１と同様、発光ダイオードにおけるジャンクション温度を一定温度以下にすることには言及されておらず、また回路基板を分ける等、格別な構成を伴った複雑な構造を呈し、器具の小型化を阻害したりコスト的にも不利な新たな問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、簡易な構成により発光ダイオード等の半導体発光素子におけるジャンクション温度を一定温度以下にすることが可能な照明器具を提供しようとするものである。

請求項１に記載の照明器具の発明は、半導体発光素子を有し、凹部の底面距離がＬ、凹部高さがＨである断面略凹部に配設される照明器具において、底面距離Ｌと凹部高さＨの２次式で規定される半導体発光素子のジャンクション温度Ｔが所定範囲となるように、前記底面距離Ｌおよび凹部高さＨが定められる前記断面略凹部に配設されることを特徴とする。

本発明により、半導体発光素子のジャンクション温度が所定範囲となるように、凹部のサイズで定めることができる。また簡易な構成により半導体発光素子におけるジャンクション温度を一定温度以下にすることが可能となる。

本発明において、半導体発光素子は、発光ダイオードや半導体レーザーなど、半導体を発光源とした発光素子が許容される。

照明器具は、例えば、長尺な発光素子基板上に、発光ダイオードを縦または横に略直線状、または曲線を描いて1列または複数列に配置し、全体として、平面視で長方形、正方形などの矩形状をなしたライン状や面状の発光面を有するように構成してもよい。また、例えば、発光ダイオードを点灯する電源部を併設して一体に有していても、別置き等、照明器具とは別体の電源部を有するようにしてもよい。さらに、乳白色の半透明なアクリル樹脂、無色透明なポリカーボネート等の合成樹脂、または強化ガラス等で構成された透光性のカバー部材を有していてもよい。

凹部は、例えば、埋込部材を断面略凹部をなす形状に構成し、凹部の内部に照明器具を配置するようにして、天井面、壁面、さらには屋外の地中等に設置して、例えば、ダウンライト、間接照明器具、足元灯、地中埋込形の照明器具等を構成するようにしてもよい。また、照明器具の発光面を下向き、上向き、縦向き、横向きに設置してもよい。さらに照明器具を１灯単独または２灯以上を直列に配置するようにしてもよい。さらに、天井面、壁面などの建材への設置を容易にし、かつ電気絶縁性を確保するために、木材（ベニヤ板）、石膏ボード、さらには電気絶縁性を有する合成樹脂などで構成してもよい。また、例えば、壁面に直接、埋込用の穴を形成することで凹部を構成するようにしてもよい。

凹部の底面距離は、照明器具を凹部に配置した際に、照明器具の側面と凹部の内側の壁面、換言すれば、照明器具の側面が対向する壁面との距離である。この距離は、照明器具の両側面と凹部の両方の内側面の間に２ヶ所存在する。この両者の距離は等しいことが好ましいが、目標とするジャンクション温度が確保できる範囲で異なっていてもよい。

凹部高さは、照明器具を凹部に配置した際に、凹部の内側の壁面、換言すれば、照明器具の側面が対向する壁面の高さである。この高さは、凹部の両方の内側面に２ヶ所存在する。この両者の高さは等しいことが好ましいが、目標とするジャンクション温度が確保できる範囲で異なっていてもよい。

底面距離Ｌと凹部高さＨの２次式は、平均値等の一定の係数を含んでいても、個々に定められる係数を含んでいてもよい。

半導体発光素子のジャンクション温度は、例えば、発光ダイオードのチップ表面温度であることが好ましいが、チップとリードフレームとの接続部分などの周辺部等、チップ表面から多少離れた部分であってもよく、ジャンクション劣化の要因となる全ての部分の温度が許容される。また、チップ表面温度は、実測可能な部分、例えば、チップとリードフレームとの接続部分の実測値を基に算出した計算値であってもよい。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の照明器具において、
前記２次式は、
Ｔ＝−ａＬ²＋ｂＬ＋ｃＨ²−ｄＨ＋ｅ
Ｔ：℃ Ｌ，Ｈ：ｍｍ
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ：係数
であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の照明器具において、ジャンクション温度Ｔは、８０℃〜１００℃であることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、半導体発光素子のジャンクション温度が所定範囲となるように、凹部のサイズで定めることができる。また簡易な構成により半導体発光素子におけるジャンクション温度を一定温度以下にし、ジャンクションの劣化を防止することが可能な照明器具を提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、半導体発光素子のジャンクション温度が所定範囲となるように、多種多様な凹部のサイズで効率よく容易かつ確実に定めることができる。

請求項３記載の発明によれば、ジャンクションの劣化を防止することが可能になると共に、光出力変動を少なくして光学特性の変化が少ない照明器具を提供することができる。

以下、本発明に係る照明器具の実施形態について説明する。

本発明者は、この種、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」と称す）を有し、埋込ボックス等の凹部に配設される照明器具において、ＬＥＤのジャンクション温度は凹部のサイズに起因している点に着目し、凹部のサイズとジャンクション温度の関係を明らかにするための実験を行った。
１．実験方法
照明器具は、図１に示す線モジュールからなる照明器具Ａを１灯単独で使用した。

この照明器具の仕様は、使用ＬＥＤ：高出力白色×１６個定格電圧：ＤＣ２４Ｖ長さ寸法ｌ：約３００ｍｍ、幅寸法ｗ：約２５ｍｍ、高さ寸法ｈ：約１５ｍｍである。

また、図２に示すように、断面が略凹部をなす形状に構成し、凹部の底面距離Ｌおよび凹部高さＨが任意に変更可能な埋込ボックスＢを作成した。この埋込ボックスは、本発明の凹部を構成するものである。

上記構成の照明器具Ａを、図２（ａ）に示すように下向き点灯となるように、埋込ボックスＢ内に設置し、凹部の底面距離Ｌ、すなわち凹部の壁面からの距離を可変し、さらに凹部高さＨ、すなわち埋込深さを可変しながら、ＬＥＤのジャンクション温度Ｔを測定した。

ジャンクション温度は、図２（ｂ）に示すように、発光ダイオードのチップｃとリードフレームｌの接続部Ｔｓの温度を測定した。器具込み周囲温度Ｔａ＝３５℃である。
２．実験結果
下記の表１に埋込深さと幅とジャンクション温度との関係を示す。これによれば、埋込深さ（凹部高さＨ）と壁面からの距離（凹部の底面距離Ｌ）を適宜選択することにより、ジャンクション温度Ｔを所定範囲、すなわち１００℃以下の一定温度に保持できることが判明した。

また、図３は、埋込深さとジャンクション温度との関係を、壁面からの距離を１０ｍｍ単位で測定したグラフであり、壁面からの距離、すなわち、凹部の底面距離Ｌが大きくなるとジャンクション温度は低下し、埋込深さ、すなわち、凹部高さＨを高くするとジャンクション温度が上昇する。

また、重回帰分析の結果、次の２次式が得られた。

Ｔ＝−ａＬ²＋ｂＬ＋ｃＨ²−ｄＨ＋ｅ
ここで、ＴおよびＨの単位は、それぞれＴ：℃ Ｌ，Ｈ：ｍｍである。

また、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、壁面からの距離を１０ｍｍ単位で測定したグラフにおいて、それぞれ定められる係数であり、因みに１０ｍｍ単位の各グラフを平均値で示したグラフＧ１によって定めた２次式は、ａ＝−０．０００６、ｂ＝０．１１、ｃ＝０．００３３、ｄ＝０．３６、ｅ＝１２と規定したときに、次式に示される。

Ｔ＝−０．０００６Ｌ²＋０．１１Ｌ＋０．００３３Ｈ²−０．３６Ｈ＋１２
なお、上記平均値による２次式で設計を行ってもよいが、図３に示される壁面からの距離１０ｍｍ〜８０ｍｍにおける各グラフに基づいた２次式をそれぞれ設定し、設計を行うことが好ましい。

以上の実験結果を基に、半導体発光素を有し、埋込ボックス等の凹部に配設される照明器具において、半導体発光素子のジャンクション温度を設計ファクターとして盛り込み、上記の２次式により底面距離Ｌと凹部高さＨを定める照明器具の設計方法を設定した。

表１で明らかなように、底面距離Ｌ（壁面からの距離）は１０〜８０ｍｍの範囲で、また凹部高さＨ（埋込深さ）は１０〜１００ｍｍの範囲で、適宜組み合わせて選択し、施工条件等に合わせた最適な照明器具を設計することができる。

因みに、上記設計方法により、下記の表２に示す推奨取付条件を設定することができた。

また、ジャンクション温度Ｔが８０℃〜１００℃になるように、上記２次式により底面距離Ｌと凹部高さＨを定めることにより、光出力変動が少ない照明器具を構成することができた。

すなわち、図４にジャンクション温度と光出力との関係をグラフで示すように、ジャンクション温度Ｔｊが、８０℃〜１００℃の範囲では、約３％以内の変動幅で安定する。

特に、８５℃〜９０℃の範囲で、より一層変動幅を小さくすることができる。

また、同時に定格寿命４００００時間の光束維持率の変動幅も抑えることができる。

すなわち、図５にジャンクション温度と光束維持率との関係をグラフで示すように、ジャンクション温度Ｔｊが、８０℃〜１００℃の範囲では、光束維持率変動幅は約３％程度の変動幅に抑えることができる。

なお、図３の各グラフに示すように、ジャンクション温度の変動幅が比較的小さくなる埋込深さ、例えば、５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲を選定すれば、ジャンクション温度を気にせずに、各種、各様の埋込ボックスを構成することも可能となり、設計の自由度が増えて実用的な設計手法が確立される。

上記設計方法を基に、本実施例では、天井埋込形のライン状のダウンライトを構成した。

すなわち、図１に示す上記実験方法で説明した線モジュールからなる照明器具１１を、１灯単独で埋込ボックス２０に下向きになるように設置して構成した。（図６）
照明器具１１は、上述のように、高出力白色のＬＥＤを１６個を使用し、定格電圧ＤＣ２４Ｖで駆動する長さ寸法ｌが約３００ｍｍ、幅寸法ｗが約２５ｍｍ、高さ寸法ｈが約１５ｍｍに構成したものである。

照明器具１１は、上記１６個のＬＥＤ１１ａを長尺な発光素子基板１１ｂ上に、略直線状をなして１列に配置して実装した光源部１２とライン状の器具本体１３および光源部を覆う透光性のカバー部材１４で構成する。

ライン状の器具本体１３は、光源部１２を略直線状に配置し収納するためのライン状をなすケース部材で、熱伝導性を有するアルミニウムで構成する。

器具本体１３は、アルミニウム材を押し出し成形することによって両端に開口部１３ａ、１３ａを有する断面略Ｕ字形の長尺状のケース部材として構成され、光源部１２および電源部１３ｆを収容する平面状の基板部１３ｂ、基板部の両側に互いに向き合う方向に形成した側壁１３ｃ、１３ｃおよび基板部の裏面側に形成された取付部１３ｄからなる。（図１（ｃ））
取付部１３ｄは、器具本体を埋込ボックス２０の底面に取り付けるための部材で、断面略Ｕ字形をなす溝を形成して、被設置面から離間した空間部１３ｅを長手方向に形成し、外気に接するための面積を増大し確保する。

器具本体１３の両端部には、電源部１３ｆの電源ボックスおよび器具本体の端板となる支持部材１３ｇを固定する。

透光性のカバー部材１４は、両側壁１３ｃ、１３ｃ内面の上端部に位置する部分に差し込み嵌合させて支持する。

１５は、器具本体１３を埋込ボックス２０に取り付けるための取付金具で、ステンレスの板材をプレス加工して断面略Ｕ字形の金具として構成し、底板部分に取付孔１５ａを形成し、両側面を器具本体１３の側壁１３ｃ、１３ｃの外面に板材の弾性力で嵌合して支持する。

次に、上記に構成した照明器具１１が下向きになるように設置するための埋込ボックス２０の構成につき説明する。

図６に示すように、埋込ボックス２０は、ベニヤ板からなる木材を細長い断面略凹部をなす形状に構成し、凹部の底面距離Ｌと凹部高さＨの寸法を上記２次式から求めた。

すなわち、器具定格寿命７０％／４００００時間を確保するため、照明器具１１における各ＬＥＤ１１ａのジャンクション温度Ｔが９０度以下、本実施例では８５℃になるように、凹部高さＨを２０ｍｍ、底面距離Ｌ（壁面との距離）を４０ｍｍに定めて構成した。

上記に構成した埋込ボックス２０の底面に、照明器具１１に設けられた取付金具１５の取付孔１５ａを使用して木ネジで固定する。（図１（ｂ）（ｃ））
上記に構成された照明器具は、図６に示すように部屋の天井Ｘに予め形成された設置穴Ｙに嵌め込まれて支持され、さらに電源線を商用電源に接続して設置が完了し、天井埋込形のライン状のダウンライトが構成される。

上記構成の照明器具を点灯すると、各ＬＥＤにより略直線状の発光面をなし光線が直線状に下向きに広がって放射され、部屋に沿ったライン状の照明を行う。

同時に、照明器具１１における各ＬＥＤ１１ａのジャンクション温度が、９０℃以下、本実施例では、８５℃の一定の温度に保持することができ、ＬＥＤの熱による劣化を防止することができ長寿命の照明器具を提供することができる。

また、照明器具の光出力の変動幅を小さくすることができ、安定した明るさと発光色をもった照明を行うことができる、さらに、定格寿命４００００時間の光束維持率の変動幅も抑えることができるので、光学特性の変化が少なくなり長期にわたり安定した照明を行うことができる。

また、照明器具の両側面には、所定寸法の底面距離Ｌおよび凹部高さＨを有する空間が形成されるので、ＬＥＤから発生する熱も外部に露出したアルミニウムからなる器具本体１３および被設置面から離間した空間部１３ｅを形成する取付部１３ｄ等から効率よく放熱され、光束が低下することなく所定照度の明るい照明を行うことができる。

また、上記に構成された照明器具は、光源部をＬＥＤで構成した小型、薄型化を達成し、また埋込ボックスも小型で薄型の構成をとることができ、小型、薄型化を図った天井埋込形のライン状のダウンライトが構成される。

以上、本実施例において、図７（ａ）に示すように、照明器具１１の高さ寸法ｈよりも、埋込ボックス２０の凹部高さＨを小となして、照明器具１１を埋込ボックス２０から外方に突出させた形式のダウンライトを構成してもよい。

図７（ｂ）に示すように、壁面間接照明を行う照明器具を構成してもよい。図中Ｘは天井、Ｚは壁面である。
この場合、底面距離Ｌおよび凹部高さＨは、図中左方と右方で異ならせて構成している。因みに、左方の底面距離Ｌ１は４０ｍｍ、凹部高さＨを３０ｍｍ、右方の底面距離Ｌ２を６０ｍｍ、凹部高さＨ２は１０ｍｍにして構成し、これにより、ジャンクション温度Ｔは９０℃以下に保持することが可能となる。

図８（ａ）に示すように、地中埋込形の照明器具を構成してもよい。図中３０は、凹部の開口部を気密に閉塞するための板厚で透明な強化ガラス、３１はグランドである。

図８（ｂ）に示すように、足元灯を構成するようにしてもよい。図中Ｚは壁面である。この場合照明器具１１は斜め下方に向けて埋込ボックス２０内に配置させる。

また、凹部を埋込ボックスで構成したが、独立したボックスを構成することなく、例えば、壁面に直接、埋込用の穴を形成することで凹部を構成するようにしてもよい。

さらに、照明器具の灯数を増加させて接続し照射面を長く広くするようにしてもよい。この場合には図１（ａ）（ｂ）の左方に示すように、隣り合う発光素子基板１１ｂをリード線ｗ１により接続して必要な長さの灯数の照明器具を構成すればよい。

各ＬＥＤ１１ａは白色ＬＥＤで構成したが、照明器具の用途に応じ、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）等で発光するＬＥＤで構成してもよい。若しくはこれらを混合して、電球色、昼白色、昼光色等の光を発光させるようにしてもよい。

本実施形態の照明器具は、施設、業務用等の各種の照明器具として構成してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施例に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る照明器具を、一部を省略して示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図。同じく実験で使用した照明器具を示し、（ａ）は照明器具および埋込ボックスの配置状態を示す説明図、（ｂ）はジャンクション部分を示す説明図。同じく実験結果を示し、埋込深さとジャンクション温度との関係を示すグラフ。同じく実験結果を示し、ジャンクション温度と光出力との関係を示すグラフ。同じく実験結果を示し、ジャンクション温度と光束維持率との関係を示すグラフ。同じく照明器具を示し、一部を断面して示す斜視図。同じく照明器具の変形例を示し、（ａ）は第１の変形例を示す断面図、（ｂ）は第２の変形例を示す断面図。同じく照明器具の変形例を示し、（ａ）は第３の変形例を示す断面図、（ｂ）は第４の変形例を示す断面図。

符号の説明

１１照明器具
１１ａ半導体発光素子
２０凹部
Ｌ底面距離
Ｈ凹部高さ

Claims

半導体発光素子を有し、凹部の底面距離がＬ、凹部高さがＨである断面略凹部に配設される照明器具において、底面距離Ｌと凹部高さＨの２次式で規定される半導体発光素子のジャンクション温度Ｔが所定範囲となるように、前記底面距離Ｌおよび凹部高さＨが定められる前記断面略凹部に配設されることを特徴とする照明器具。
前記２次式は、
Ｔ＝−ａＬ²＋ｂＬ＋ｃＨ²−ｄＨ＋ｅ
Ｔ：℃ Ｌ，Ｈ：ｍｍ
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ：係数
であることを特徴とする請求項１記載の照明器具。
ジャンクション温度Ｔは、８０℃〜１００℃であることを特徴とする請求項１または２記載の照明器具。