JP2016058204A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ近傍の構造部材の強度の低下を抑制し、構造信頼性が低下せず、長寿命化した照明装置の提供。
【解決手段】青色発光を含むＬＥＤを光源とした照明装置において、前記ＬＥＤ点灯時に前記ＬＥＤ近傍で６０℃を超える樹脂部材に含まれる臭素の臭素含有量が８％以下であることを特徴とする照明装置
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置に関し、特に、光源としてＬＥＤ素子を用いる照明装置に関する。

省エネルギー照明装置として、白熱電球に比べ発光効率が高い発光ダイオード（light-emitting diode；ＬＥＤ）を光源として用いた照明装置が開発されている。

特許文献１（特開２０１３−４８０３９号公報）には、ＬＥＤを光源とし放熱効率が良好な電球型照明装置が開示されている。

特開２０１３−４８０３９号公報

特許文献１に開示された電球型照明装置は、放熱特性を向上するために、発光体であるＬＥＤの上面からホルダとネジを用いて発光体取付部を挟んで筐体に固定し、筐体と金属性の発光体取付部とを密着させ、伝熱性が良好となるように接触させている。

ここで、ＬＥＤは点灯時に、電源からの電力を消費して、熱損失により発熱するとともに発光する。そのため、ＬＥＤ近傍は周囲よりも温度が高くなる。そのため、照明装置のＬＥＤ近傍で用いるホルダやカバーや収納ケースなどの構造部材には、耐熱性が高い樹脂であるポリカーボネートやＰＢＴや液晶樹脂などの１００℃から１２０℃で強度低下が少ないエンジニアリングプラスチックを用いている。

ここで、ＬＥＤの中でも、電球型照明装置に多く用いられる白色ＬＥＤは半導体素子であるＬＥＤチップから青色光を放射し、ＬＥＤチップの周辺に配置した蛍光体が青の補色である緑、黄色、赤色に発光し、これらの発光が混色して白色光を得ている。

ＬＥＤチップから発生する青色光は波長が４２０-５００nm程度であり光のエネルギーが高いため、樹脂の劣化を加速し、ホルダやカバーや収納ケースなどの構造部材の強度が低下する恐れがある。

本発明では、ＬＥＤ近傍の構造部材の強度の低下を抑制し、構造信頼性が低下せず、長寿命化した照明装置の提供を目的とする。

このような課題を解決するために、本発明に係る照明装置は、青色発光を含むＬＥＤを光源とした照明装置において、前記ＬＥＤ点灯時に前記ＬＥＤ近傍で６０℃を超える樹脂部材に含まれる臭素の臭素含有量が８％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、ＬＥＤ近傍の構造部材の強度の劣化を防止し、構造信頼性が低下せず、長寿命化した照明装置を提供することができる。

第１の実施例に係る照明装置の外観正面図である。 第１の実施例に係る照明装置の分解斜視図である 第１の実施例の変形例に係る照明装置の断面構造図である 第１の実施例の変形例に係る照明装置のカバー部材を外した上面図である ホルダの劣化状況の電子顕微鏡写真である。 走査型電子顕微鏡に付属するエネルギー分散型Ｘ線分析の結果である。 エネルギー分散型蛍光X線分析の結果である。 第１の実施例の変形例である。 第２の実施例に係る照明装置の外観斜視図である。 第３の実施例に係る光源ユニットの断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

（第１の実施例）
（照明装置全体）
図１から４は本発明の照明装置の第１の実施例を示している。この照明装置１００は電球型照明装置である。照明装置１００の全体外観は、頭部が曲線を帯び、膨れ、下部は頭部よりも外径が小さい円筒形をつないだ形状である。照明装置１００の形態は、一般白熱電球の形態を模した形態である。照明装置１００は、ＬＥＤを光源とし、下部の口金を天井や器具に設けられた電球用ソケットに装着して、商用電源を通電することでＬＥＤに電力を印加して発光する。

図１は照明装置１００の外観正面図である。カバー部材１０は乳白色の半透明なポリカーボネート樹脂で成型した中空の形状のものである。本体部１５は、アルミニウムのダイキャスト形成部材であり、概略円柱状で内部に空洞を有する胴部１１の周囲に、ひだ状のフィン１２を一体形成しているものである。胴部１１の下部には樹脂製の絶縁リング１７を介して胴体１１と絶縁した口金１８を配置している。

図２は照明装置１００の分解斜視図である。カバー部材１０は、略球状で、中空の形状のものである。カバー部材１０は本体部１５の上部に接着またははめこみで結合されている。本体部１５は内部が空洞で有り、空洞の上側には平坦なフランジ部２８が形成されている。本体部１５のフランジ部２８に発光体３０をネジ２９で固定している。発光体３０は、基板２１上に複数個のＬＥＤモジュール２２と、電源コネクタ２３と、が、はんだを用いて実装されている。ネジ２９で固定することにより、基板２１の下面とフランジ部２８の平坦な面は密着しており、基板２１の熱をフランジ部２８を介して本体部１５に伝熱する。基板２１の表面には、複数のＬＥＤモジュール２２を実装し、直列もしくは並列に相互接続し、電源コネクタ２３に接続される所定のパターンが形成されている。

ＬＥＤモジュール２２の内部には、発光素子としてピーク波長が４２０nmから４８０nmである青色光を発する発光ダイオードチップが配置され、発光ダイオードチップはシリコーン樹脂などの透明の封止樹脂により被覆されている。この封止樹脂内には、発光ダイオードチップから放出される光を色変換する蛍光体が混入されている。蛍光体としては、例えば青色光を黄色、緑色、赤色に色変換して発光する蛍光材料が用いられ、当該蛍光体によって発光ダイオードチップから放出される青色光が色変換され、青色光と混色することで白色光が発光されることとなる。

基板２１は、平面視で略円形状を呈しており、穴もしくは切り欠きが設けられている。

ホルダ２０は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＣ（ポリカーボネート）などの樹脂を形成してなり、外見形状は、概略リング形状に、貫通穴であるネジ穴３１が４つ設けられた形である。

ホルダ２０、基板２１、本体部１５は、ホルダ２０のネジ穴３１と、基板２１のネジ穴と、本体部１５の上部のフランジ部２８に形成した雌ネジ部と、が互いに位置を合わせてネジ２９を４本用いて、ホルダ２０、基板２１を本体部１５のフランジ部２８に押さえつけることにより、締結している。

本体部１５の内部の空洞部には、収納ケース２６が内蔵される。収納ケース２６には、収納ケース２６により本体部１５から絶縁され、電子部品を搭載した電源回路基板２４が内蔵されている。電源回路基板２４は、商用電源からの交流電力を直流電力に整流する回路、整流後の直流電力の電圧を調整する回路などを備えている。電源回路基板２４は、入力端子が口金１８、出力端子が電源コネクタ２３とリード線(図示なし)などで接続されている。電源回路基板２４は口金１８から供給される商用交流電力を、ＬＥＤ駆動が可能な電圧範囲に変換して基板２１に給電する。以上の構成によりＬＥＤモジュール２２は発光するとともに発熱する。

収納ケース２６は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）やＰＣ（ポリカーボネート）などの樹脂製である。ＬＥＤ点灯時の基板２１の温度は９０-１００℃になるので、適用可能な樹脂としては、耐熱温度が１００℃以上の樹脂であればよい。収納ケース２６は横断面が略楕円形状であり、一端面から他端面まで連通する筒状である。電源回路基板２４は収納ケース２６の一端面側から収納される。

図３は照明装置１００の断面構造図であり、図４はカバー部材１０を半透明の状態で照明装置１００を斜め上から見た図である。口金１８から供給される商用電源は電源回路基板２４を介してＬＥＤモジュール２２に供給され発光し発熱する。ＬＥＤモジュール２２からの発光は上方に散光して放射される。ＬＥＤモジュール２２からの発光の大部分は、カバー部材１０を介して照明装置１００外に放射される。また、ＬＥＤモジュール２２からの発光の一部は、照明装置１００内に放射され、照明装置１００内部のＬＥＤモジュール２２近傍の部材が近傍の部材にも照射される。ＬＥＤモジュール２２近傍の部材としては、例えば、基板２１、電源コネクタ２３、リード線２５、そしてホルダ２０がある。但し、ＬＥＤモジュール２２近傍の部材は、ＬＥＤモジュール２２の発光部から直視できる部材のみではない。ＬＥＤモジュール２２からの発光は、カバー部材１０などの表面で拡散反射があるため、カバー部材１０の内側と、基板２１で囲われた空間部や、基板２１と本体部１５の間の隙間や、基板２１に透明部や開口部がある場合には、基板２１の下部に位置する収納ケース２６や、電源回路基板２４などもＬＥＤモジュール２２の発光に暴露されることになる。もちろん、部材によって、受ける光の照射強度には差がある。受ける光の照射強度が高いのは、ＬＥＤモジュール２２に近いものである。受ける光の照射強度は、ＬＥＤモジュール２２を搭載した基板２１の上に配置したホルダ２０や電源コネクタ２３やリード線が強く、ついでカバー部材１０、収納ケース２６、電源回路基板２４の順に弱くなる。

このような構成の照明装置１００で大光量の発光動作をさせた場合の耐久性を試験したところ、以下のような劣化を発見した。
（ホルダ劣化について）
試験により、６０℃の恒温槽にてＬＥＤモジュール２２の耐久温度までの高電力を印加して、２００時間の動作をさせたところ、ホルダ２０が褐色に変色した。さらに表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、図５に示す通り、劣化部位は表面の樹脂が分解揮発しており、強化のために添加したガラスファイバが露出していた。ホルダ２０は基板２１を本体部１５に締結するために設けているため、機械的強度や靭性が必要である。そこでホルダ２０を取り出して強度を調べたところ、初期品に比べ硬くなっており、また少しの曲げ変位で容易に破断することから、靭性が著しく低下しているという劣化があることが判明した。
（封止樹脂について）
次に、ＬＥＤモジュール２２の封止樹脂への影響について調べた。封止樹脂に力を加えた場合の変位を測定した結果を図７に示す。針を樹脂に押し込む際の押し込みストロークの変位量をｍｍ単位で横軸、押し込みに加えた力すなわち印加力の大きさをＮ（ニュートン）単位で縦軸に示す。

本発明では、点灯動作前の初期状態に対して、グラフの傾きが大きくなっており、耐久性試験後の封止樹脂は傾きが大きくなっており、ストローク０.２５ｍｍの条件で比較すると、同じ押し込み量を得るために試験後では５.５倍の力が必要な状態にあり硬くなっている。

ＬＥＤモジュール２２の封止樹脂としては柔らかいシリコーン樹脂がよく用いられるが、硬くなると、内部の配線、接合を痛めることで実装信頼性が低下し、照明装置１００の耐久性が低下する可能性がある。

そこで、発明者はホルダ１０の樹脂の強度を低下させ、またＬＥＤモジュール２２の封止樹脂を硬化させる要因について種々検討した結果、ＰＢＴ樹脂内の臭素化合物が、６０℃を超える温度でかつＬＥＤチップから放射される青色を含むＬＥＤモジュール２２の発光が照射される場合は、加速的に分解し、放出される現象により、生じた臭素が樹脂の分子結合部位を切断することが原因であると判明した。

なお、ＰＢＴ樹脂中の臭素の量を分析した結果では臭素は８重量％含まれていることが判明している。

図６に示す通り、ＬＥＤモジュール２２を蛍光X線分析で解析した結果、試験後のＬＥＤモジュール２２の表面から臭素が検出された。図６(a)は試験前のＬＥＤモジュール、(b)は試験後のＬＥＤモジュールの測定結果である。横軸はX線エネルギー(KeV)、縦軸はX線エネルギー強度(相対値)を表す。いずれも１２KeVに臭素のピークが有る。未点灯では信号はノイズレベル以下であるが、試験後は明確にピークを観察しており臭素が検出される。

また、樹脂を、加熱、光照射条件の組み合わせで発生するガス成分を調べた。表１に示す結果の通り、温度が１２０℃で、かつ光照射が有る場合には臭素の分解・放出が急速に進むことが初めて明らかとなった。また、温度が１００℃の場合は、臭素の発生量が１２０℃の１/３となり大幅に減少し、さらには６０℃ではほとんど臭素が発生しないことが判明した。そこで、温度を１２０℃よりも低くする、好ましくは１００℃以下にする、さらに６０℃にする、もしくは臭素の含有量が８％よりも少ない、特に１％未満程度に減らしたＰＢＴ樹脂を用いることで、ＬＥＤモジュール近傍の樹脂を用いた部材の強度劣化およびＬＥＤモジュールの封止樹脂の劣化を抑制できることを見出した。

本発明は電球型照明装置で実施例を説明したが、ＬＥＤを光源とし、ＬＥＤを実装する基板と樹脂製の固定部材を有する照明装置全般について同じ効果があることは言うまでもない。
（別実施例）
第１の実施例の変形例を図８に示す。第１の実施例と異なる部分のみ詳細に説明する。第１の実施例と異なり、本変形例では、発光体の構成について、基板２１を本体部１５に固定する構成をネジ２９に変えて、樹脂製のピン９１を用いたものである。この場合ホルダ２０が不要で軽量になる、ホルダ２０の厚さにより水平方向に浅く出射する際の損失が減るので光量が増加する効果が有る。この際使用する樹脂製のピン９１には臭素化合物を８%以下とすることで第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
（第２の実施例）
次に第２の実施例について図９を用いて説明する。直管型蛍光管を光源をＬＥＤに置き換えるＬＥＤ照明装置の事例である。断面は概ね円柱状の外径で、半透明又は透明のグローブ１０００で上半分を覆い、ベース１０２は金属製で、断面が円弧状で、内面には長手方向に溝が形成され、溝の底辺に長方形で、ＬＥＤモジュール１０３を多数搭載した基板１０４が配置され、円柱の端部は、基板押さえ１０１がネジ１０５でベース１０２に固定され、基板１０４の長手方向を固定している。ＬＥＤ照明装置は直管型蛍光灯と互換サイズであることが多い。直管型蛍光灯の１１０W型相当は２〜３m程度あるため、グローブや端部の基板押さえ強度が低下するとＬＥＤ照明装置がぶれる、たわむなどの不具合を起こす可能性があり、強度劣化の抑制が重要である。基板押さえ１０１、またグローブ１０００はＰＢＴ,ポリカーボネートなどの樹脂製である。特にグローブ１０００は光損失が少ないことが有用であり、ＰＭＭＡなどでもよい。いずれの部材も臭素化合物の含有量を８%以下とすることで、第１の実施例と同様の効果を得ることができ、高い照度が照射されるこれら樹脂部材の強度の低下を抑えることができる。
（第３の実施例）
図１０に第３の実施例を示す。多数のＬＥＤモジュールを用いた光源ユニットである。ベース１１１に、ＬＥＤモジュール２２を搭載した基板２１をホルダ１１２で押さえネジ１１４で固定する。また図中黒色で示す樹脂シート１１６は、基板２１の上に配置し、ＬＥＤモジュール２２部分に開口部を設けた樹脂シートで有り、基板表面よりも反射率が高く、ＬＥＤモジュール２２からの発光を効率よく上方に放射するとともに基板をホルダ１１２とともにベース１１１に押しつける保持の機能を有する。また、導光部材１１３は、表面の少なくとも一部を鏡面または白色で形成した樹脂部材であり、発光を効率よく上方に導光する機能がある。ホルダ１１２と導光部材１１３をネジ１１５で固定して形成する。ベース１１１は金属であり基板２１の熱を、図示していないがベース１１１を固定した灯具筐体に伝熱して放熱する。この構造では光照射を受けるホルダ１１２、導光部材１１３がベース１１１に固定されており、ＬＥＤの発熱による高温と、強い光照射を受けるので、臭素化合物の含有量を８%以下とすることで、第１の実施例と同様の効果を得ることができ、高い照度が照射されるこれら樹脂部材の強度の低下を抑えることができる。

なお、前記実施例中では、ＬＥＤモジュール２２を実装した基板２１を固定するための構造部材（本体部１５、ベース１０２,１１１）は金属だが、この限りでない。基板２１の熱を伝熱する部材であれば良く、例えばセラミックなどの無機材料でも良い。

１００ 照明装置
１０ カバー部材
１５ 本体部
１１ 胴部
１２ フィン
１７ 絶縁リング
１８ 口金
２０ ホルダ
２１ 基板
２２ ＬＥＤモジュール
２３ 電源コネクタ
２４ 電源回路基板
２５ リード線
２６ 収納ケース
２８ フランジ部
２９ ネジ
３０ 発光体
３１ ネジ穴
９１ ピン
１０１ 基板押さえ
１０２ ベース
１０３ ＬＥＤモジュール
１０４ 基板
１０５ ネジ
１１１ ベース
１１２ ホルダ
１１３ 導光部材
１１４ ネジ
１１５ ネジ
１１６ 樹脂シート
１０００ グローブ

Claims (5)

1. 青色発光を含むＬＥＤを光源とした照明装置において、前記ＬＥＤ点灯時に前記ＬＥＤ近傍で６０℃を超える樹脂部材に含まれる臭素の臭素含有量が８％以下であることを特徴とする照明装置。
   
2. 前記樹脂部材に含まれる臭素の臭素含有量が、１％未満であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
   
3. 前記照明装置の光照射時に前記樹脂部材は前記ＬＥＤ近傍で１２０℃未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
   
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記樹脂部材は、前記ＬＥＤを搭載した基板を金属またはセラミックなどの無機材料を用いた筺体に締結するホルダであることを特徴とした照明装置
   
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の照明装置において、
   前記樹脂部材は、前記ＬＥＤを搭載した基板を金属またはセラミックなどの無機材料を用いた筺体に締結する際に、前記基板よりも高い位置にあり、かつ締結部材で前記基板とともに前記筐体に押し当てる樹脂シートであることを特徴とする照明装置