JP5146468B2

JP5146468B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP5146468B2
Application number: JP2009554347A
Authority: JP
Inventors: 潔西村; 寛和大武; 友広三瓶; 周平松田
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2008-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2029-02-18
Also published as: US20100277083A1; WO2009104645A1; JPWO2009104645A1; CN101919315A

Description

本発明は、直列に接続された複数のＬＥＤ(発光ダイオード)素子を一斉に発光させて照明をする照明装置に関する。

日本国の特開２００５−１００７９９号公報は、プリント基板に実装された複数のＬＥＤ素子を直列に接続してなるＬＥＤ照明器具を開示する。このＬＥＤ照明器具は、複数のＬＥＤ素子からなる直列回路の一端にアノード電極を接続し、他端にカソード電極を接続する。アノード電極とカソード電極は、いずれもプリント基板の一側縁の片面に、並べて設ける。これらの電極間に１２ボルト（Ｖ）の直流電圧を印加すると、ＬＥＤ照明器具は、各ＬＥＤ素子を一斉に発光させる。

従来のＬＥＤ照明器具は、現状、１０Ｖ〜１５Ｖの電圧を印加する。例えば、特開２００５−１００７９９号公報に記載されたＬＥＤ照明器具の場合も、１２Ｖの電圧を印加する。このように、印加電圧が低圧であると、電源供給装置の回路効率が極めて悪くなる。例えば、電源の定格電圧が１００Ｖの場合、電源電圧の１０％ないし１５％の電気エネルギーしか使用していない。しかも、直列に接続された個々のＬＥＤ素子に加わる電圧は、ＬＥＤ素子の数が多くなるほど低くなる。このため、印加電圧が低いと、各ＬＥＤ素子が高い輝度で発光し難くなる。

本発明の目的は、回路効率および発光強度を向上できるようにした照明装置を提供することにある。

照明装置は、装置基板と、商用電源に接続される整流装置と、装置基板に実装され、複数のＬＥＤ素子を直列に接続してなる直列回路と、この直列回路に直列に接続され、直列回路に流れる最大電流を制限する電流制限手段とを有し、整流装置の出力を、ＬＥＤ直列回路と電流制限手段との直列回路に印加することにより、各ＬＥＤ素子の夫々を点灯させる。このような照明装置において、請求項１の発明は、ＬＥＤ直列回路に印加される電圧が、整流装置の出力電圧の７０％〜９０％となるように、ＬＥＤ素子の数を設定する。

本発明者は、ＬＥＤ直列回路を形成するＬＥＤ素子の数を変えて、発光効率と回路効率とを測定した。具体的には、１０個から５０個までの各個数のＬＥＤ素子を夫々直列に接続した回路を形成した。そして、夫々のＬＥＤ直列回路に、ＬＥＤ素子を点灯させるために商用電源を印加して、そのときの発光効率と回路効率とを測定した。使用したＬＥＤ素子は、２０ｍアンペアの直流電流を流したときに約３Ｖの電圧で最も効率よく発光する。このようなＬＥＤ素子は、現在、多用されている。

ＬＥＤ直列回路を点灯させる点灯制御回路は、全波整流装置と、電流制限手段とを含む。点灯制御回路は、商用電源の１００Ｖ電圧を全波整流装置で整流し、その整流出力の最大電流を電流制限手段によって制限して、この制限された最大電流に応じた電圧をＬＥＤ直列回路に印加する。

発光効率と回路効率の測定結果を図７に示す。図７から明らかなように、発光効率は、ＬＥＤ直列回路が有するＬＥＤ素子の数が２５個前後でピークとなる。そして発光効率は、このピークとなる数からＬＥＤ素子の数が多くなるほど低下する。これは、ＬＥＤ素子の数が多くなるほど、各ＬＥＤ素子に印加される電圧が低下することに起因する。印加電圧が低下すると、各ＬＥＤ素子は高い輝度を得る発光ができなくなる。ＬＥＤ素子の数が３６個を越えると、発光効率が0.5未満となって、実用上要求される発光効率を満たすことができない。なお、本明細書では、各ＬＥＤ素子に印加される電圧をＬＥＤ点灯電圧と称する。

回路効率は、ＬＥＤ直列回路が有するＬＥＤ素子の数が３９個前後でピークとなる。これは、このピークとなる数に向けてＬＥＤ素子の数が増えるに従い、電流制限手段を構成するトランジスタの発熱による損失が減少することに起因する。

前記発光効率と回路効率とを掛け合わせた総合効率は、ＬＥＤ直列回路が有するＬＥＤ素子の数が３３個前後でピークとなる。そして総合効率は、このピークとなる数から多くても少なくても低下する。

総合効率が0.54以上となる個数のＬＥＤ素子を、個々に約３ＶのＬＥＤ点灯電圧で全て点灯させるのに、ＬＥＤ直列回路に印加する適正な電圧は、図７のグラフの横軸に記載した通りである。

図７から明らかなように、ＬＥＤ直列回路に印加される電圧が８０Ｖのとき、照明装置は、総合効率が最もよい。７０Ｖ〜９０Ｖの電圧範囲でも、照明装置は、0.5を超える効率が得られる。

因みに、発光効率を優先して、ＬＥＤ素子の数を２５個とした場合の適正電圧は、７０Ｖより小さくなる。この場合、照明装置は、３０％以上の電気エネルギー損失が生じてしまうので、好ましくない。また、回路効率を優先して、ＬＥＤ素子の数を３９個とした場合の適正電圧は、１００Ｖを超える。この場合、１００Ｖの電源電圧では各ＬＥＤ素子に加わるＬＥＤ点灯電圧が低下するので、照明装置は、0.5以上の発光効率を得ることができない。

以上の考察から、請求項１の発明は、複数のＬＥＤ素子が直列に接続されたＬＥＤ直列回路に印加される電圧が、商用電源の電圧を整流する整流装置の出力電圧の７０％〜９０％となるように、ＬＥＤ素子の数を定めている。

具体的には、請求項２の発明のように、商用電源の電圧が１００Ｖの場合、照明装置は、直列回路が有するＬＥＤ素子の数を３０〜３４個に設定する。商用電源の電圧が２００Ｖの場合、照明装置は、直列回路が有するＬＥＤ素子の数を６０〜６４個に設定する。

整流装置の出力電圧が例えば（１００±１０）Ｖであり、ＬＥＤ直列回路が有するＬＥＤ素子の数が３０〜３４個とする。この場合、図７から明らかなように、照明装置は、回路効率が高く、電気エネルギーの損失が少ない。また照明装置は、発光効率も実用上十分に高い値が得られる。このように、本発明は、照明装置の回路効率及び発光効率を向上させることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、装置基板が、金属製のベースと、このベースに積層された絶縁層と、この絶縁層に互いに電気的に絶縁されて積層された複数の金属層とを有する。各金属層は、直列に接続される複数個のＬＥＤ素子からなる素子列を夫々搭載する。各金属層と各素子列とは、夫々、各金属層にその金属層に搭載された素子列の電圧が印加されるように電気的に接続する。

この請求項３の発明では、複数個のＬＥＤ素子からなる素子列が搭載された金属層は、ＬＥＤ素子よりも遥かに面積が大きい。このため、金属製のベースとしての機能とは別に、ＬＥＤ素子の熱拡散部材としても機能する。すなわち、点灯に伴い各ＬＥＤ素子が発した熱は速やかに金属層に広げられる。そして、熱は、これら金属層から絶縁層を経て金属製のベースに放出される。この結果、照明装置は、各ＬＥＤ素子の温度過昇に起因する発光効率の低下を抑制できる。

また、請求項３の発明では、各金属層が、その金属層に搭載されたＬＥＤ素子列と電気的に接続されている。このため、点灯状態では各金属層に電位が掛かった状態になる。各金属層に電位が掛からない状態では、金属層が電気ノイズの影響を受ける。また、アンテナ効果によってノイズ放射源になる。請求項３の発明であれば、このような不具合を防止できる。

さらに、請求項３の発明では、金属層が単一ではなく電気的に絶縁されて複数に分かれている。このため、ＬＥＤ直列回路に電源電圧が印加されるにも拘わらず、電源電圧の最大値が一個のＬＥＤ素子に掛かることはない。各ＬＥＤ素子と各金属層との間並びにこれらの金属層と金属製ベースとの間の電圧差が小さくなると、それに伴い、各ＬＥＤ素子を封止した封止部材は、封止不良が発生する。しかし、このような封止不良が発生した場合でも、請求項３の発明であれば、ＬＥＤ素子と各金属層との間、ひいてはこれら金属層と金属製ベースとの間の電気的絶縁が維持されるので、所定の耐電圧性能が確保される。したがって、照明装置は、電気的な面での安全性に優れている。

この場合、請求項４の発明のように、各ＬＥＤ素子列に印加される電圧が３０Ｖ以下となるように、照明装置は、これら素子列が有するＬＥＤ素子の数を設定すると良い。具体的には、一つの素子列が有するＬＥＤ素子の数は２〜１０個である。

しかも、耐電圧性能を確保する上では、請求項５の発明のように、隣接した金属層間の電圧差が３０Ｖ以下となるように、照明装置は、素子列が有するＬＥＤ素子の数を設定するとよい。

この請求項５の発明では、隣接した金属層間でのイオンマイグレーションの発生を抑制できる。イオンマイグレーションは、二つの金属の間に電圧が加わっているときに，一方の金属から他方の金属に向かい、導電性がある通路に沿って金属イオンが移動する現象である。この現象は、二つの金属の間に加えられる電圧が高いほど、電気的エネルギーが増えて顕在化する。そのため、電位が掛かっている金属層間でイオンマイグレーションが発生し、この現象が進行すると、照明装置は、電位が掛かっている金属層間での絶縁劣化や短絡を招くおそれがある。仮に、短絡を生じた場合には、各ＬＥＤ素子と金属層との間、ひいては金属層と金属製ベースとの間の電圧差が大きくなり、照明装置は、耐電圧の信頼性が低下する。なお、イオンマイグレーションは、エレクトロケミカルマイグレーションとも呼ばれる。

しかし、請求項５の発明では、各ＬＥＤ素子列が有するＬＥＤ素子の数を、素子列の一端と他端との間に掛かる電圧が３０Ｖ以下となるように設定した。このため、照明装置は、隣接した金属層間の電圧差を３０Ｖ以下に抑制できる。隣接した金属層間の電圧差が３０Ｖ以下に抑制されると、電位が掛かっている金属層間でイオンマイグレーションが発生することはない。さらに、ＬＥＤ素子と金属層との間、ひいては金属層と金属製のベースとの間の電気的絶縁が維持されて所定の耐電圧性能が確保される。したがつて、照明装置は、電気的な面での安全性に優れている。

請求項６の発明は、ＬＥＤ直列回路に印加されるＬＥＤ素子順方向電圧が商用電源の定格入力電圧に対して７０％〜９０％となるように、ＬＥＤ素子の数を設定する。

ＬＥＤ素子順方向電圧は、電流制限手段により制限される最大電流を流したときに、ＬＥＤ直列回路に生じる電圧のピーク値である。

本発明者は、ＬＥＤ直列回路を形成するＬＥＤ素子の数を変えて、発光強度と回路効率とを測定した。具体的には、１０個から５０個までの各個数のＬＥＤ素子を夫々直列に接続した回路を形成した。そして、夫々のＬＥＤ直列回路に、ＬＥＤ素子を点灯させるために電源電圧を印加して、そのときの発光強度と回路効率とを測定した。使用したＬＥＤ素子は、２０ｍアンペアの直流電流を流したときに約３Ｖの電圧で最も効率よく発光する。

ＬＥＤ直列回路を点灯させる点灯制御回路は、全波整流装置と電流制限手段とを含む。点灯制御回路は、電源電圧を全波整流装置で整流し、その整流出力の最大電流を電流制限手段によって制限して、この制限された最大電流に応じた電圧をＬＥＤ直列回路に印加する。

商用電源の定格入力電圧は１００Ｖであるが、一般に、電圧変動を考慮すると、実効値は±１０％の範囲内で変動する。そこで本発明者は、電源電圧として９０Ｖと、１００Ｖと、１１０Ｖの３種類を用いた。電流制限手段により制限される最大電流は３０ｍＡとした。

回路効率と発光強度の測定結果を図８Ａ及び図８Ｂに示す。また、回路効率と発光強度とを掛け合わせた総合効率の演算結果を図８Ｃに示す。図８Ａ〜図８Ｃにおいて、横軸は、商用電源の定格入力電圧に対するＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆの割合（％）を示す。

図８Ｃから明らかなように、９０Ｖ、１００Ｖ及び１１０Ｖのいずれの電源電圧を用いた場合も、上記割合が７０％〜９０％の範囲内であれば、照明装置は、0.5を超える総合効率が得られる。したがって、ＬＥＤ直列回路に印加されるＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆが商用電源の定格入力電圧に対して７０％〜９０％となるようにＬＥＤ素子の数を設定した請求項６の発明によれば、照明装置の回路効率および発光強度を向上させることができる。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る照明装置の装置基板をこの基板が備えた封止部材を除いて示す略正面図である。図１Ｂは、図１Ａの照明装置の一つの直列回路配設領域を拡大して示す正面図である。図２は、図１Ｂの直列回路配設領域を更に拡大して示す正面図である。図３Ａは、図１Ｂ中Ｘ−Ｘ線に沿って示す装置基板の断面図である。図３Ｂは、図１Ｂ中Ｙ−Ｙ線に沿って示す装置基板の断面図である。図３Ｃは、図１Ｃ中Ｚ−Ｚ線に沿って示す装置基板の断面図である。図４は、照明装置を点灯させる点灯制御回路を示す図である。図５Ａは、図４の点灯制御回路における商用電源の交流電圧波形を示す図である。図５Ｂは、図４の点灯制御回路における整流装置で平滑化された電圧波形を示す図である。図５Ｃは、図４の点灯制御回路におけるトランジスタで最大電流を制限した波高値を制御した状態の電圧波形を示す図である。図６は、本発明の一実施形態に係る照明装置としての電球型ＬＥＤランプを示す断面図である。図７は、ＬＥＤ素子の数及び直列回路に印加される電圧と効率との関係を示したグラフである。図８Ａは、商用電源として９０Ｖ、１００Ｖ及び１１０Ｖの３種類を用いたときの、定格入力電圧に対するＬＥＤ素子順方向電圧の割合と回路効率との関係を示したグラフである。図８Ｂは、商用電源として９０Ｖ、１００Ｖ及び１１０Ｖの３種類を用いたときの、定格入力電圧に対するＬＥＤ素子順方向電圧の割合と発光強度との関係を示したグラフである。図８Ｃは、商用電源として９０Ｖ、１００Ｖ及び１１０Ｖの３種類を用いたときの、定格入力電圧に対するＬＥＤ素子順方向電圧の割合と総合効率との関係を示したグラフである。図９Ａは、図１の照明装置の直列回路配設領域の一部であって、かつ、金属層とこれに隣接した他の金属層に搭載された素子列との電気的接続の変形例を示す正面図である。図９Ｂは、図９Ａに示す変形例の他の部を示す正面図である。図１０Ａは、ＬＥＤ素子の数を２５個とした場合のＬＥＤ直列回路に流れる電流とＬＥＤ素子順方向電圧の波形図である。図１０Ｂは、ＬＥＤ素子の数を３０個とした場合のＬＥＤ直列回路に流れる電流とＬＥＤ素子順方向電圧の波形図である。図１０Ｃは、ＬＥＤ素子の数を３５個とした場合のＬＥＤ直列回路に流れる電流とＬＥＤ素子順方向電圧の波形図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態は、照明装置１として、図６に示す電球型ＬＥＤランプを用いる。

照明装置１は、装置基板２１と、回路基板５１とを有する。装置基板２１は、放熱体５２の一端側に取り付けられる。また、装置基板２１を覆うように、放熱体５１の一端側にグローブ５３が取り付けられる。回路基板５１は、放熱体５２の他端側に取り付けられた収納ケース５４に収納される。口金５５は、収納ケース５４に取り付けられる。装置基板２１は、放熱体５２及び収納ケース５４に穿設された配線孔５６を挿通する配線（図示せず）によって、回路基板５１と電気的に接続される。

商用電源２の供給により照明装置１を点灯させる点灯制御回路は、図４によって示される。点灯制御回路は、装置基板２１と回路基板５１とに実装される。

商用電源２は、例えば電源電圧が１００Ｖの交流電源である。商用電源２の交流電圧波形は、図５Ａによって示される。

商用電源２の交流電圧は、平滑コンデンサ３で平滑化されて、整流装置５に与えられる。整流装置５は、全波整流器であり、平滑化された交流電圧を全波整流する。この整流波形は、図５Ｂによって示される。

整流装置５の出力端である陽極端子３５と陰極端子３６とに、四つの点灯制御回路６が並列に接続されており、整流装置５の出力電圧が、各点灯制御回路６に同時に印加される。各点灯制御回路６は、ＬＥＤ直列回路７及び電流制限回路１１を備えている。

ＬＥＤ直列回路７は、ＬＥＤ素子を直列に接続する。電流制限回路１１は、抵抗１２、ツェナーダイオード１３、トランジスタ１４及び抵抗１５を有する。ツェナーダイオード１３は、抵抗１２に直列に接続される。トランジスタ１４は、抵抗１２とツェナーダイオード１３との接続点にベースが接続される。抵抗１５は、トランジスタ１４のコレクタに接続される。ＬＥＤ直列回路７は、トランジスタ１４のエミッタに接続される。

したがって、トランジスタ１４は、ＬＥＤ直列回路７に直列に接続される。電流制限回路１１が有する電流制限手段であるトランジスタ１４は、ＬＥＤ直列回路７を流れる最大電流を制限する。トランジスタ１４によって最大電流を制限した波高値を制御した状態の電圧波形は、図５Ｃによって示される。

装置基板２１を、図１Ａ，図１Ｂ、図２及び図３Ａ〜図３Ｃに示す。図１Ａは、装置基板２１の平面図である。装置基板２１が有する封止部材は、省略されている。図１Ｂは、図１Ａに示す装置基板２１の一つの直列回路配設領域を拡大して示す図である。図２は、図１Ｂの直列回路配設領域を更に拡大して示す図である。図３Ａは、図１Ｂ中Ｘ−Ｘ線に沿って示す装置基板２１の断面図である。図３Ｂは、図１Ｂ中Ｙ−Ｙ線に沿って示す装置基板２１の断面図である。図３Ｃは、図１Ｃ中Ｚ−Ｚ線に沿って示す装置基板２１の断面図である。

装置基板２１は、ベース２２と、絶縁層２３と、複数たとえば第１の金属層２４〜第６の金属層２９と、複数の中継パッド３０と、陽極端子３５と、陰極端子３６を有する。

ベース２２は、後述するＬＥＤ素子Ｔの発熱を外部に放出するために、金属製例えばアルミニウムの板で形成される。絶縁層２３は、ベース２２の正面をなした一面全体に積層される。絶縁層２３は、例えば６Ｗ/Ｋの高い熱伝導を発揮するように、材料および厚みが選定される。

平滑コンデンサ３、整流装置５及び電流制限回路１１をなす各回路部品は、ベース２２に取り付けられる。各回路部品は、ベース２２に内蔵される。あるいは、各回路部品は、ベース２２の裏面等に露出して取付けられる。

装置基板２１は、例えば図１Ａに示すように、装置基板２１の中心を基準とする９０度の角度範囲を占める四つの領域Ａ〜Ｄに等分される。そして各領域Ａ〜Ｄの夫々に、第１の金属層２４〜第６の金属層２９と、複数の中継パッド３０とが設けられる。

図３Ａ〜図３Ｃで代表して示すように、第１の金属層２４〜第６の金属層２９は、いずれも絶縁層２３に積層されている。第１の金属層２４〜第６の金属層２９は、図１Ｂ及び図２で代表して示すように、互いに離間して平行に配設されている。したがって、第１の金属層２４〜第６の金属層２９は、互いに電気的に絶縁されている。図２で代表して示すように、第６の金属層２９の長手方向の端部近傍に中継金属層３１が設けられている。

図１Ｂで代表して示すように、中継パッド３０は、第１の金属層２４〜第６の金属層２９の夫々に対応して配設されている。詳しくは、中継パッド３０は、これら第１の金属層２４〜第６の金属層２９の長手方向に延びる一側縁に沿って間隔的に配設されている。これら各中継パッド３０は、各金属層２４〜２９から離間して絶縁されている。各金属層２４〜２９の傍に並べられた中継パッド３０の数は、各金属層２４〜２９の夫々に搭載される後述のＬＥＤ素子Ｔの個数と同数である。

整流装置５の一方の出力端である陽極端子３５は、装置基板２１の中心部に設けられる。陽極端子３５は、各ＬＥＤ直列回路７に対して共通に設けられる。整流装置５の他方の出力端である陰極端子３６は、装置基板２１の周辺部に設けられる。陰極端子３６は、各ＬＥＤ直列回路７に対して個別に設けられる。

各金属層２４〜２９、各中継パッド３０、中継金属層３１、陽極端子３５及び陰極端子３６はいずれも、銅からなるベース層の上に、ニッケルと金を、この記載順にメッキして形成される。

ＬＥＤ素子Ｔは、各金属層２４〜２９の夫々に搭載される。なお、個々のＬＥＤ素子を区別するために、図２ではＬＥＤ素子を示す符号Ｔの後に括弧書きで番号を付す。図３Ａ、図３Ｂで代表して示すように各ＬＥＤ素子Ｔは、素子基板Ｔａの一面に、半導体発光層Ｔｂを設けている。また、各ＬＥＤ素子Ｔは、この半導体発光層Ｔｂ側に、素子電極をなすアノードＴｃとカソードＴｄとを設けている。

素子基板Ｔａは、透光性絶縁材料、例えば厚み100μｍのサファイアで作られる。半導体発光層Ｔｂは、通電されると、青色の光を主として放射する。このようなＬＥＤ素子Ｔは、青色発光ダイオードと称される。これらのＬＥＤ素子Ｔは、各金属層２４〜２９に搭載するために、その素子基板Ｔａの前記一面とは平行な他面を金属層２４〜２９に、図示しない透明ダイボンド材により接着している。ダイボンド材は、透明なシリコーンペーストを用いる。

複数のＬＥＤ素子Ｔを直列に接続してなるＬＥＤ直列回路７は、各領域Ａ〜Ｄに夫々設けられる。これらの直列回路７は、夫々、複数のＬＥＤ素子Ｔが直列に接続されたＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６を備えている。各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６は、各金属層２４〜２９に夫々搭載される。ＬＥＤ直列回路７は、各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６を更に直列に接続して形成される。

ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６について、具体的に説明する。本実施形態では、１つの金属層に搭載された複数のＬＥＤ素子ＴのアノードＴｃとカソードＴｄが、各ＬＥＤ素子Ｔに対応する位置の隣接する２つの中継パッド３０にそれぞれ接続される。アノードＴｃ及びカソードＴｄと中継パッド３０との接続には、金の細線からなるボンディングワイヤ３８が用いられる。このような接続により、各金属層にそれぞれ沿って並んでいる中継パッド３０を経由して、複数のＬＥＤ素子Ｔが直列に接続される。かくして、各金属層２４〜２９の夫々に、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６が形成される。

なお、隣接するＬＥＤ素子ＴのアノードＴｃとカソードＴｄを、直接ボンディングワイヤ３８を用いて接続することで、ＬＥＤ素子列Ｌ１〜ＴＬ６を形成しても良い。この場合、照明装置１は、中継パッド３０を省略できる。

また、ＬＥＤ素子Ｔは、既述のようなダブルワイヤ接続タイプでなくてもよい。例えばＬＥＤ素子Ｔは、ＬＥＤ素子の厚み方向両面部に夫々素子電極を設けたシングルワイヤ接続タイプであってもよい。シングルワイヤ接続タイプの場合、ＬＥＤ素子は、配線パターンに実装される。この場合、ＬＥＤ素子の上面の素子電極を、隣接する他のＬＥＤ素子が実装される他の配線パターンにボンディングワイヤ３８を用いて接続することで、ＬＥＤ素子列Ｌ１〜ＴＬ６が形成される。

各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の各他端に位置したＬＥＤ素子ＴのカソードＴｄは、その素子列ＴＬ１〜ＴＬ６が搭載された金属層２４〜２９に接続される。この場合の接続にも、ボンディングワイヤ３９が用いられる。その結果、各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６は、これらが個別に搭載された金属層２４〜２９と、夫々電気的に接続される。かくして、各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の電源供給側の一端と、これに対して反対側の他端との間に掛かる電圧、いわゆるＬＥＤ素子順方向電圧は、これら素子列ＴＬ１〜ＴＬ６に対応する金属層２４〜２９の夫々に独立して印加される。

図２において、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の電源供給側の一端は、素子列ＴＬ１ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（１）を指す。素子列ＴＬ２ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（７）を指す。素子列ＴＬ３ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（１３）を指す。素子列ＴＬ４ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（１９）を指す。素子列ＴＬ５ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（２５）を指す。素子列ＴＬ６ではその一端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（３０）を指す。

また、図２において、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の電源供給側の一端に対して反対側の他端は、素子列ＴＬ１ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（６）を指す。素子列ＴＬ２ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（１２）を指す。素子列ＴＬ３ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（１８）を指す。素子列ＴＬ４ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（２４）を指す。素子列ＴＬ５ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（２９）を指す。素子列ＴＬ６ではその他端に位置されたＬＥＤ素子Ｔ（３３）を指す。

次に、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６同士の直列接続について説明する。本実施形態では、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ５の電源供給側の一端に対して反対側の他端をなす素子列ＴＬ１〜ＴＬ５の端部と、これらに隣接された素子列ＴＬ２〜ＴＬ６の同端部とを接続する。これら端部間の接続には、ボンディングワイヤ４０及びボンディングワイヤ４１と、同端部側に位置された中継パッド３０または中継金属層３１とが用いられる。このような接続により、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６同士が直列に接続されて、ＬＥＤ直列回路７が形成される。この接続において、ボンディングワイヤ４０は、金属層２４〜２８と中継パッド３０又は中継金属層３１を接続する。ボンディングワイヤ４１は、中継パッド３０又は中継金属層３１と、ＬＥＤ素子Ｔ（７）、Ｔ（１３）、Ｔ（１９）、Ｔ（２５）、Ｔ（３０）のいずれかを接続する。

以上のように構成された各ＬＥＤ直列回路７の電源供給側の一端に配置されたＬＥＤ素子Ｔ（１）は、ボンディングワイヤ４２を介して前記陽極端子３５に接続される。各ＬＥＤ直列回路７の電源供給側の一端と反対側の他端に配置されたＬＥＤ素子Ｔ（３３）は、ボンディングワイヤ４３を介して前記陰極端子３６に接続される。

各ＬＥＤ直列回路７が有するＬＥＤ素子Ｔの数は、この直列回路７に印加される電圧が整流装置５の出力電圧の７０％〜９０％となるように設定される。電源電圧１００Ｖを整流した整流装置５の出力電圧が各点灯制御回路６に印加される本実施形態では、一つのＬＥＤ直列回路７が有するＬＥＤ素子Ｔの数を３０〜３４個の範囲で設定すればよい。３３個のＬＥＤ素子Ｔを使用した例が、図２によって示される。

これら３３個のＬＥＤ素子Ｔは、前記各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６に印加される電圧が３０Ｖ以下となるとともに、隣接した金属層２４〜２９間の電圧差が３０Ｖ以下となるように分配される。因みに、整流装置５の出力電圧が１００Ｖである本実施形態では、各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の夫々に搭載されるＬＥＤ素子Ｔの数は２個〜１０個の範囲で選定される。具体的には、図２に示すように、金属層２４〜２７に対しては、ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ４を形成するために６個のＬＥＤ素子Ｔが夫々搭載される。金属層２８に対しては、ＬＥＤ素子列ＴＬ５を形成するために、５個のＬＥＤ素子Ｔが搭載される。金属層２９に対しては、ＬＥＤ素子列ＴＬ６を形成するために、４個のＬＥＤ素子Ｔが搭載される。

枠体４５は、電気絶縁材料例えば合成樹脂で装置基板２１の形状に適合した形状に作られる。枠体４５は、図１Ａに示すように既述の各ＬＥＤ直列回路７が実装された装置基板２１の一面の周部に固定される。各ＬＥＤ直列回路７は、枠体４５の内側に位置する。枠体４５は、その内面で光を反射することができるように、例えば白色系の合成樹脂で形成することが好ましい。

封止部材４７は、枠体４５の内側に注入され、加熱処理により硬化される。封止部材４７は、各ＬＥＤ直列回路７及び金属層２４〜２９等を埋めて封止する。封止部材４７は、透光性材料例えば透明シリコーン樹脂からなり、その内部に蛍光体（図示しない）を混入する。蛍光体は、封止部材４７に対して好ましくは略均一に分散した状態で混入する。本実施形態では、ＬＥＤ素子Ｔが青色に発光するので、蛍光体としては、この光で励起されて主として黄色の光を放射するＹＡＧ蛍光体を用いる。

前記構成の照明装置１において、１００Ｖの電源電圧を整流装置５で整流した出力電圧が各点灯制御回路６に印加されると、これら点灯制御回路６におけるＬＥＤ直列回路７の夫々が有した３３個のＬＥＤ素子Ｔが一斉に点灯される。この点灯により、各ＬＥＤ素子Ｔから放射された青色の光は、その一部が蛍光体に当たることなく封止部材４７を透過する。その一方で、青色の光が蛍光体に当たると、蛍光体が励起されて黄色の光を放射する。この黄色の光は封止部材４７を透過する。したがって、これら補色関係にある二色の混合によって、照明装置１は、白色光を被照射対象に向けて照射する。

白色光を照射しているとき、各ＬＥＤ素子Ｔは発熱を伴う。発熱は、素子基板Ｔａを経由して金属層２４〜２９に伝わる。

各ＬＥＤ素子Ｔが搭載された金属層２４〜２９は、各ＬＥＤ素子Ｔよりも遥かに面積が大きい。このため、金属層２４〜２９は、熱を拡散するヒートスプレッダとして機能する。すなわち、各ＬＥＤ素子Ｔの点灯に伴い、各ＬＥＤ素子Ｔから金属層２４〜２９に伝わった熱は、これら金属層２４〜２９の全域に速やかに拡散される。そしてこの熱は、さらに装置基板２１の絶縁層２３を経由して装置基板２１のベース２２の全域に伝導される。ベース２２に伝わった熱は、このベース２２のヒートスプレッダ機能によって照明装置１外に放出される。かくして、各ＬＥＤ素子Ｔが発した熱は、速やかにベース２２から放出される。したがって、照明装置１は、各ＬＥＤ素子Ｔの温度過昇に起因する発光効率の低下を抑制できる。

照明装置１は、既述のように、ＬＥＤ直列回路７に印加される電圧が整流装置５の出力電圧の７０％〜９０％となるように、ＬＥＤ素子の数を例えば３３個に定めている。しかも、好ましい例として、直列に接続された複数のＬＥＤ素子Ｔの夫々が略３Ｖで点灯されるようにしてある。

そのため、照明装置１は、回路効率および発光強度を向上できる。すなわち照明装置１では、整流装置５の出力電圧の７０％〜９０％の電圧が各ＬＥＤ直列回路７に印加される。また、その電圧が最大に下振れした場合でも、照明装置１では、１００Ｖの電源電圧に対する電気エネルギーの損失が少ない。したがって、図７のグラフからみて、照明装置１は、回路効率が良いことが分かる。それとともに、整流装置５の出力電圧の７０％〜９０％の電圧が各ＬＥＤ直列回路７に印加される範囲では、照明装置１が0.54を超える高い発光効率を得ることができることも、図７のグラフからみて明らかである。

さらに、点灯状態で既述のように各ＬＥＤ素子Ｔが発した熱を広範囲に拡散する金属層２４〜２９の夫々には、それらに搭載されたＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の両端間に掛かっている電位が、ボンディングワイヤ４０を通じて掛かっている。なお、ＬＥＤ素子列の中間の電位を金属層に掛けることも可能である。このため、金属層２４〜２９に電位が掛からないで電位が確定しない場合の不具合を防止できる。すなわち、金属層２４〜２９が周囲の電気ノイズの影響を受けることがない。また、アンテナ効果によってノイズ放射源になることもない。

照明装置１は、点灯制御回路６の夫々に、１００Ｖの電源電圧を印加することによって点灯される。点灯制御回路６は、各ＬＥＤ素子列ＴＬ１〜ＴＬ６を直列に接続してなる。しかし、既述のように、この１００Ｖの電源電圧が、点灯制御回路６を形成する個々のＬＥＤ素子Ｔと、このＬＥＤ素子Ｔが搭載された金属層２４〜２９との間に掛かることはない。

金属層２４〜２９は、一つのＬＥＤ直列回路７に対して単一に用意されたものではない。金属層２４〜２９は、電気的に絶縁された状態で複数に分かれている。夫々の金属層２４〜２９には、それら各金属層２４〜２９に搭載されたＬＥＤ素子列の電圧が個々に印加される。具体的には、金属層２４の電位は１８Ｖ、金属層２５〜２７の夫々の電位はいずれも１５Ｖ、金属層２８の電位は１２Ｖ、金属層２９の電位は９Ｖである。

因みに、金属層２４には、夫々が略３Ｖの電圧で点灯される６個のＬＥＤ素子Ｔ（１）〜（６）が搭載されている。金属層２５〜２７には、同６個のＬＥＤ素子Ｔ（７）〜（１２）、Ｔ（１３）〜（１８）、Ｔ（１９）〜（２４）がそれぞれ搭載されている。金属層２８には、同５個のＬＥＤ素子Ｔ（２５）〜（２９）が搭載されている。金属層２９には、同４個のＬＥＤ素子Ｔ（３０）〜（３３）が搭載されている。

このように、金属層２４〜２９にはＬＥＤ素子列の電圧が個々に印加されるので、各ＬＥＤ素子Ｔと金属層２４〜２９との間の電圧差が低減される。このため、照明装置１は、例えば封止部材４７が剥がれるなど封止不良が発生した場合でも、各ＬＥＤ素子Ｔと金属層２４〜２９との間、ひいては金属層２４〜２９とベース２２との間に、１００Ｖの電圧が掛かかることない。したがって、各ＬＥＤ素子Ｔと金属層２４〜２９との間、及び金属層２４〜２９とベース２２との間での電気的絶縁が維持され、所定の耐電圧性能が確保されるので、照明装置１は、電気的な面での安全性に優れている。

さらに、本実施の形態では、各金属層２４〜２９の電位を３０Ｖ以下にすることで、各ＬＥＤ素子Ｔの耐電圧性能を確保している。したがって、照明装置１は、隣接した金属層２４〜２９間の電圧差も３０Ｖ以下とできる。具体的には、金属層２４，２５間の電位差は３Ｖ、金属層２５〜２７間の電位差を３Ｖ、金属層２７，２８間の電位差を３Ｖ、金属層２８，２９間の電位差を３Ｖに抑制できた。これにより、電位が掛かっている金属層２４〜２９間でのイオンマイグレーションの発生が抑制される。その結果、金属層２４〜２９間での絶縁劣化や短絡を招く恐れを解消できる。このため、ＬＥＤ素子Ｔと金属層２４〜２９との間の電気的絶縁が維持され、所定の耐電圧性能が確保されるので、照明装置１は、電気的な面での安全性が非常に高い。

なお、本実施形態において、各素子列ＴＬ１〜ＴＬ６の電源供給側の一端とは反対側の他端の近傍に設けられた中継パッドに代えて、図９Ａ、図９Ｂに示すように、金属層２４〜２９の長手方向の一端部に中継凸部３０ａを一体に突設することもできる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、各ＬＥＤ直列回路７が有するＬＥＤ素子Ｔの数を、この直列回路７に整流装置５を経て印加される電圧が商用電源２の出力電圧の７０％〜９０％となるように設定した。これは、電源電圧が変動することに起因した結果である。すなわち、商用電源２の電圧は、一般に、１０％の範囲内で変動する。例えば定格入力電圧が１００Ｖの交流電源の場合、一般的に、電圧変動を考慮すると、その実効値は（１００±１０）Ｖとなる。つまり、９０Ｖから１１０Ｖの間で変化する。

第２の実施形態は、電源電圧の変動を考慮する。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、照明装置１として、図６に示す電球型ＬＥＤランプを用いる。したがって、図１〜図５は、第２の実施形態でも、第１の実施の形態と共通に使用することができる。

電源電圧が変動すると、ＬＥＤ直列回路７に流れる電流は変化する。この電流の最大値は、電流制限回路１１によって一定値に制限される。

第２の実施形態では、ＬＥＤ直列回路７に流れる最大電流を３０ｍＡとする。ＬＥＤ素子の数を２５個とした場合の直列回路７に流れる電流Ｉ１とＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆ１との対応関係を図１０Ａに示す。ＬＥＤ素子の数を３０個とした場合の直列回路７に流れる電流Ｉ２とＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆ２との対応関係を図１０Ｂに示す。ＬＥＤ素子の数を３５個とした場合の直列回路７に流れる電流Ｉ３とＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆ３との対応関係を図１０Ｃに示す。なお、図１０Ａ〜図１０Ｃにおいて、横軸は時間を示し、左側の縦軸は電流を示し、右側の縦軸は電圧を示す。

ＬＥＤ直列回路７に流れる最大電流が一定のとき、ＬＥＤ直列回路７の回路効率は、この回路を形成するＬＥＤ素子の数が増加するほど向上する。ただし、図８Ａ〜図８Ｃ及び図１０Ａ〜図１０Ｃから分かるように、ＬＥＤ直列回路７に流れる最大電流が一定のとき、ＬＥＤ素子の数が増加するほど、ＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆは高くなる。そして、やがて、この電圧Ｖｆが電源電圧を超えると、照明装置１は、ＬＥＤ素子の発光強度が低下する。

第２の実施形態では、商用電源２の定格入力電圧１００Ｖに対するＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆの割合が７０％〜９０％となるように、各ＬＥＤ直列回路７が有するＬＥＤ素子の数を設定する。そうすることにより、図８Ａで示したように、商用電源２の定格入力電圧に対する割合が７０％から９０％の間では、電源電圧が９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖのいずれの場合においても、回路効率が０．５％以上であって、かつ上昇傾向にあるため、電源電圧が変動した場合でも、回路効率は良好である。

また、図８Ｂで示したように、商用電源２の定格入力電圧に対する割合が７０％から９０％の間では、電源電圧が９０Ｖの場合は発光強度がピーク値付近から低下するものの０．５以上の範囲内を確保でき、１００Ｖの場合は、発光強度のピーク値を含み０．６％以上の範囲内を確保でき、１１０Ｖの場合は、発光強度が０．６％以上を維持してピーク値付近まで上昇するので、好適である。また、７０％から９０％の間では、電源電圧が９０Ｖ、１００Ｖ、１１０Ｖのいずれの場合においても極端に発光強度が低下する領域を含まない。よって、発光強度として高い値を得ることができる。

さらに、図８ｃに示すように、商用電源２の定格入力電圧に対する割合が７０％から９０％の間では、９０Ｖ、１００Ｖ及び１１０Ｖのいずれの電源電圧を用いた場合も、0.5を超える総合効率が得られる。したがって、ＬＥＤ直列回路７に印加されるＬＥＤ素子順方向電圧Ｖｆが商用電源２の定格入力電圧に対して７０％〜９０％となるようにＬＥＤ素子の数を設定することによって、照明装置１の回路効率および発光強度を向上させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではない。
例えば、前記実施の形態では、商用電源の定格入力電圧を１００Ｖとしたが、電圧値はこれに限定されるものではない。例えば１２０Ｖ、２００Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ等の種々の定格入力電圧を有する商用電源を用いても、本発明を適用することができる。

また、外来ノイズの防止用として、整流装置５の出力端子間に、０．１μＦ以下の小容量のコンデンサを介在させた発光制御回路を用いても、本発明を適用することができる。

本発明は、複数のＬＥＤ素子を用いて構成される照明装置に利用される。

Claims

装置基板と；
商用電源に接続される整流装置と；
前記装置基板に実装され、前記整流装置の出力端子間に並列に接続される複数の点灯制御回路と；
を備え、
前記各点灯制御回路は、複数のＬＥＤ素子を直列に接続してなるＬＥＤ直列回路と、このＬＥＤ直列回路に直列接続され、前記ＬＥＤ直列回路に流れる電流の波高値を制御して最大電流を制限する電流制限手段と、を夫々有し、
前記整流装置の出力を、前記各点灯制御回路の前記ＬＥＤ直列回路と前記電流制限手段との直列回路に印加することにより、前記各ＬＥＤ素子の夫々を点灯させる照明装置であって、
前記各点灯制御回路の前記ＬＥＤ直列回路に印加される電圧が前記整流装置の出力電圧の７０％〜９０％となるように前記ＬＥＤ素子の数を設定したことを特徴とする照明装置。
前記整流装置の出力電圧の実効値が（１００±１０）Ｖである場合において、前記直列回路が有する前記ＬＥＤ素子の数を３０〜３４個としたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記装置基板が、金属製のベースと、このベースに積層された絶縁層と、この絶縁層に互いに電気的に絶縁されて積層された複数の金属層とを有し、直列接続される複数個の前記ＬＥＤ素子からなる素子列を前記各金属層の夫々に搭載し、前記各素子列が搭載された前記金属層に前記各素子列に印加される電圧が別々に掛かるように前記各素子列と前記各金属層とを夫々電気的に接続したことを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
前記各素子列に印加される電圧が３０Ｖ以下となるようにこれら素子列が有する前記ＬＥＤ素子の数を設定したことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
隣接した前記金属層間の電圧差が３０Ｖ以下となるように前記素子列が有する前記ＬＥＤ素子の数を設定したことを特徴とする請求項３又は４に記載の照明装置。
装置基板と；
商用電源に接続される整流装置と；
前記装置基板に実装され、前記整流装置の出力端子間に並列に接続される複数の点灯制御回路と；
を備え、
前記各点灯制御回路は、複数のＬＥＤ素子を直列に接続してなるＬＥＤ直列回路と、このＬＥＤ直列回路に直列接続され、前記ＬＥＤ直列回路に流れる電流の波高値を制御して最大電流を制限する電流制限手段と、を夫々有し、
前記整流装置の出力を、前記各点灯制御回路の前記ＬＥＤ直列回路と前記電流制限手段との直列回路に印加することにより、前記各ＬＥＤ素子の夫々を点灯させる照明装置であって、
前記各点灯制御回路の前記ＬＥＤ直列回路に印加されるＬＥＤ素子順方向電圧が前記商用電源の定格入力電圧に対して７０％〜９０％となるように前記ＬＥＤ素子の数を設定したことを特徴とする照明装置。