JP5706631B2

JP5706631B2 - 対面調光ｌｅｄデバイス

Info

Publication number: JP5706631B2
Application number: JP2010106923A
Authority: JP
Inventors: 純司佐野; 将橋本; 山本　真二; 真二山本; 敦佐々木; 加藤　武; 武加藤
Original assignee: East Japan Railway Co
Current assignee: East Japan Railway Co
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2030-05-07
Also published as: JP2011238670A

Description

本発明は、ＬＥＤデバイスに関するものであり、特には屋外で使用する車両搭載前照灯、信号機などに用いられる白色ＬＥＤデバイスに関するものである。

近年、家電製品を始め、屋外において使用する照明器具、車両搭載前照灯、信号機、特定の波長を発生させることができる集魚灯など、多種多様なＬＥＤを使用したデバイスが急速に普及している。屋外において使用する上記デバイスは、基板に取り付けたＬＥＤに透明レンズカバー、あるいは半透明の光拡散樹脂カバーで覆ったものが利用されている。

屋外で使用されるＬＥＤデバイスの中には、ＬＥＤ素子と同質のエポキシ樹脂、シロキサン樹脂、無溶剤型シリコン樹脂によって、基板とＬＥＤ素子に防滴性能を付与したり、素子に使用されている蛍光体封止用樹脂の保護を目的としコーティングされている物もあるが、これらの樹脂骨格には紫外線吸収剤や、光安定剤などを組み込むことが非常に難しい。それ故、仮に、上記コーティング剤に紫外線吸収剤や、光安定剤が組み込まれていない白色ＬＥＤデバイスが、未通電時において昼間の太陽光を浴びた場合、起電が発生することとなる。

屋外で使用されるＬＥＤデバイスは、約１０万ルックスもの昼間の太陽光を受ける場合があり、白色ＬＥＤ（以下、本発明においては白色ＬＥＤ素子と言うことがあります。）が直列で複数個接続してあるデバイスが部分的に前記照射を受けると、照射を受けていない影部のＬＥＤには、定格許容範囲を超える逆バイアスが掛ってしまうことになる。

ＳＭＤタイプ白色ＬＥＤには、チップ内にダイオードを組み込むことができるが、価格が高くなるという欠点がある。そこで、ＬＥＤ素子が直列に接続されたＬＥＤ基板に、抵抗やダイオードを組み込むことによって、起電を抑制するのが一般的であるが、未通電時に逆起電が印加された影部のＬＥＤ素子には、定格許容範囲を超えた電圧が掛かってしまう。
また、多くのデバイスが小型化、単純化、軽量化、低価格化が求められている今日、設計上回路を煩雑にするのは好ましくなく、さらに製造上の工程が増えてしまうこともコストアップの要因となる。

白色ＬＥＤデバイスに求められている基本性能は、高寿命、低消費電力である。近年照明器具に使用されている白色ＬＥＤ素子は、１０Ｗを超える物も開発され、その市場は世界的にも急速に拡大している。しかし、一部に使用されているデバイスについては、冷却方法が充分とは言えず、ジャンクション温度が１２０℃近くまで上昇する事があり、ＬＥＤ素子、隣接する基板も膨張収縮を繰り返し、ＬＥＤ素子の封止目的で積層されたエポキシ樹脂やシロキサン樹脂は、高硬度であるためクラッキングを起こし易い。
また、無溶剤型シリコン樹脂や、その他上述樹脂は、乖離波長が２８０ｎｍ以下である為、封止部位本体は紫外線には強いが、青色ＬＥＤ励起擬似白色ＬＥＤ、近紫外ＬＥＤ励起ＲＧＢ白色ＬＥＤでは、蛍光体が劣化してしまうことがある。

白色ＬＥＤデバイスを屋外で使用した場合、これを屋内で使用した場合より約２５%の割合で故障率が高いと言われている。その一方で、砲弾型でＬＥＤデバイスに直射太陽光が当たらない日よけを設けた形式の鉄道用信号機では、１７年間ＬＥＤデバイスが切れたことがないという実績も報告されている。
また、屋外で使用するＬＥＤ製品に関しＬＥＤ封止素子の紫外線劣化防止としてシリコン樹脂と更にポリカーボネートでの２重構造で積層する方法も提案されている。（特許文献１）

特開２００６−２２１０６７号公報

従来のＬＥＤデバイスでは、多数搭載された白色ＬＥＤ素子のうち、直列につないである白色ＬＥＤ素子が部分的に直射太陽光により照射された場合、起電力が発生し、直射太陽光が照射されていない影の部分に位置するＬＥＤ素子に、定格許容範囲を超える逆バイアスが掛かるという不具合がある。更に、白色ＬＥＤ素子から出る光には、ＬＥＤデバイスの樹脂製支持体や樹脂製カバー、樹脂製光学レンズ、その他の被照射物を劣化させる波長が発生している。そして、上記の如き複合要素の存在が、ＬＥＤデバイスの使用を妨げる要因となっていた。
そこで、これらの妨害要素を解決することができるような白色ＬＥＤデバイスの提供しようとするものである。

本発明は、実装基板上に設けられた複数の白色ＬＥＤを被覆する透明封止樹脂の表面に、反応硬化後に適度な透明性と伸張性を有する光透過性樹脂で形成されたメジウムイエロー顔料の透過光線調整剤を含有する塗料を塗布して反応硬化させ、透明樹脂層を形成することによりＬＥＤデバイスとする。
また、更に、上記実装基板の表面、実装基板を覆うように設けられる調光用透明樹脂カバーの表面または裏面の少なくとも１つ以上に上記透明樹脂層を形成するようにしたＬＥＤデバイスである。

上記透明樹脂層は、被塗布表面に密着性を有するもので、水酸基価が１０〜６００、ガラス転移点が−５℃〜７０℃の活性水素化合物と、多官能ポリイソシアナートを化学当量比（ＮＣＯ／ＯＨ）０.２〜２で混合した、二液型透明アクリルポリウレタン樹脂塗料を塗布して反応硬化させることにより、適度な透明性と柔軟性を有するものに形成することができる。

本発明は、上記したように実装基板上に設けられた複数の白色ＬＥＤ素子を被覆する透明封止樹脂の表面に、光透過性樹脂で形成された塗料を塗布して透明樹脂層を形成したことにより、複数の白色ＬＥＤ素子に対する太陽光の部分的な照射によって、照射された白色ＬＥＤ素子と、照射されない白色ＬＥＤ素子の間に発生する起電による定格許容範囲外の逆バイアス発生を防止することができる。

また、上記実装基板の表面、実装基板を覆うように設けた調光用透明樹脂製カバーの表面や裏面の１つまたはそれ以上に上記透明樹脂層を形成したので、白色ＬＥＤ素子から発生する一定波長の紫外線を抑制することで、ＬＥＤデバイスの樹脂製支持体や、樹脂製カバーの劣化の防止を図ることができる。更に、上記透明樹脂層は伸張性を長期に渡り維持することができるので、従来型の封止の目的でコーティングを施したＬＥＤデバイスが抱える熱によるクラッキング発生問題についても十分に対応が可能であって、白色ＬＥＤデバイスの使用適応範囲の拡大と、耐久性の向上、低コスト化、小型化に寄与することができる。

本発明の実施例を示す平面図である。図１の横断面図である。図１の縦断面図である。図３に示すものの試験状態を示す説明図である。

本発明を実施するための具体的な形態を図１〜図３に示した、以下の実施例により説明する。

白色ＬＥＤ素子１は、実装基板２上に配置されている。この白色ＬＥＤ素子１は、必要な照度に応じて複数個が配置され、通常、複数の白色ＬＥＤ素子は直列状態に結ばれている。
白色ＬＥＤ素子１を配置した実装基板２は、透明性の樹脂カバー３で覆われており、調光の役目を果たしているが、図示するものは、半円筒状に形成されている。

上記白色ＬＥＤ素子１の表面には、これを覆うように、透明樹脂層４１を形成している。更に、白色ＬＥＤ素子１を除く実装基板２の表面も透明樹脂層４２で覆われている。図に示すものでは、上記透明樹脂層４１、４２が一体に形成されて、連続する透明樹脂層４を為している。

上記透明樹脂層４は、光透過性樹脂で形成されているものであって、樹脂を白色ＬＥＤ素子１や実装基板２上に塗布してから反応硬化させて形成するとよく、この透明樹脂層４は、適度の追従性と伸張性を有するものである。
こうした透明樹脂層４を形成する樹脂としては、アクリルポリウレタン樹脂があり、水酸基価が１０〜６００、ガラス転移点が−５℃〜７０℃の活性水素化合物と、多官能ポリイソシアナートを化学当量比（ＮＣＯ／ＯＨ）で０．２〜２で混合した２液型のアクリルポリウレタン樹脂塗料を好適に用いることができる。
こうした樹脂を上記の如く塗布すると、白色ＬＥＤ素子１や実装基板２の表面に密着するようになり、適度の追従性と伸張性を有する透明樹脂層４が形成される。
更に、上記透明性樹脂層には透過光線調整剤を通常少量含ませることができ、こうした透過光線調整剤として金属顔料などを挙げることができ、例えば、顔料としてはメジウムイエロー顔料などがある。

この透明樹脂層４は、ＬＥＤデバイスが消灯時に、太陽光線や強い光束を発生する照明器具から、複数の白色ＬＥＤ素子が部分的に照射されることによって、照射部で発生する起電力を抑制し、照射されていない部分の影部の白色ＬＥＤ素子に掛かる逆バイアスを抑制することができる。
また、上記樹脂カバー３には、上記と同様の透明樹脂層５を設けるようにすることができ、この透明樹脂層５は樹脂カバー３の表面３１か裏面３２又はその両面に形成するとよい。

上記透明樹脂には、ベンゾトリアゾール系化合物、ベンゾフェノール系化合物、ヒドロキシフェニルトリアジン系化合物、シアノアクリレート系化合物などの紫外線吸収剤を単独でまたは併用して配合させることができ、これによって特に太陽光から受ける２８０ｎｍ〜３８０ｎｍの紫外線を吸収させるようにすることが好ましい。
また、上記紫外線吸収剤は、白色ＬＥＤ素子から発生する上記紫外線等を含め２８０〜５００ｎｍの波長の光線を吸収することが望ましいことであるため、光安定剤を併用したほうがより効果的であり、かつ、この光安定剤は紫外線吸収剤で光分解により生成されたラジカルを補足できるようにするとよい。こうした光安定剤としては、例えば、ヒンダードアミン系化合物を使用することができる。
そして、上記透明樹脂層を形成する上記樹脂塗料には、更に活性水素含有色素を含有させたり、ＯＨ基含有シリコンまたはフッ素を含有させることができる。上記活性水素含有色素では約０.５〜２重量％を、また、ＯＨ基含有シリコンまたはフッ素ではいずれか一つ以上を約０．５〜５重量％を含有させるようにするとよい。

（試験１）
本発明の性能を検証するために、下記の試験１を行った。
図１に示すよう、端部にある白色ＬＥＤ素子の１つだけを、上記透明樹脂の配合比率の異なるもの２種類と、透明樹脂層４の膜厚を変えた２種類の、４種類の試験材料を用意し、端部の白色ＬＥＤ素子の起電力値を測定した。

（試験材料）
（試料１）イソシアナート重合型アクリルシリコンウレタン樹脂９９．５重量部と上記透過光線調整剤（アクリルウレタン用メジウムイエロー水和酸化第二鉄顔料：以下試験材料において同じ）０．５重量部の混合物を、白色ＬＥＤ素子及び実装基板の表面に５μ厚さに、ポリカーボネート製樹脂カバーの外表面に５μの厚さに透明樹脂層を形成したもの。
（試料２）イソシアナート重合型アクリルシリコンウレタン樹脂の９９．５重量部と上記透過光線調整剤の０．５重量部の混合物を、白色ＬＥＤ素子及び実装基板の表面に１０μ厚さに、ポリカーボネート製樹脂カバーの外表面に１０μの厚さに透明樹脂層を形成したもの。
（試料３）イソシアナート重合型アクリルシリコンウレタン樹脂の９９重量部と上記透過光線調整剤の１重量部の混合物を、白色ＬＥＤ素子及び実装基板の表面に１０μ厚さに、ポリカーボネート製樹脂カバーの外表面に１０μの厚さに透明樹脂層を形成したもの。
（試料４）イソシアナート重合型アクリルシリコンウレタン樹脂の９８重量部と上記透過光線調整剤の２重量部の混合物を、白色ＬＥＤ素子及び実装基板の表面に１０μ厚さに、ポリカーボネート製樹脂カバーの外表面に１０μの厚さに透明樹脂層を形成したもの。
（試料５）比較例：透明樹脂層のないもので、他は試料１と同じ。

（試験方法）
晴天時の太陽光６の１０万ルックス（±５％）照射下の屋外の地面７上にて、端部のＬＥＤ素子を遮蔽板８で覆い遮光部分９を作って、上記試験材料１〜５を露出し、端部の白色ＬＥＤ素子の起電力値を測定した。

上記試験材料におけるＬＥＤデバイスの起電力を測定した結果を表１に示す。

（試験１の考察）
上記試験の結果、試料５の透明樹脂層の無い比較例の起電力率を１００％とした場合、試料１では４７．８％、試料２では４２．６％、試料３では３２．８％、試料４では２３．０％の起電力率であり、試料１〜４のものは起電力率が大幅に低下していることが判る。更に、透過光線調整剤の量が増すと、また、透明樹脂層の厚みが増すと起電力率が低下する傾向にある。

本発明におけるＬＥＤデバイスは屋外にて使用されることが想定されるため、上記試験１の試料２を使用して、下記のテストを行ったので結果と共に示す。
（１）透明樹脂層の密着性テスト
テスト方法：試料２のようにポリカーボネート製樹脂カバーの外表面に透明樹脂層を形成し、透明樹脂層のタック性がなくなった時点で、ＪＩＳ５４００に準拠したクロスカット試験を実施し、透明樹脂層の密着性を調べた。
テストの結果：透明樹脂層の密着性は良好であった。
（２）耐酸性テスト
テスト方法：ポリカーボネート製樹脂カバーと同じもので、平板状にしたものの表面に同様の透明樹脂層を形成し、この透明樹脂層の上に１／１０Ｎ−硫酸の５mlを載せ、２０℃で２４ｈｒ保持し、変化を見た。
テスト結果：透明樹脂層に変化は見られなかった。
（３）耐アルカリ性テスト
テスト方法：耐酸性テストに使用したものと同じものの、透明樹脂層の上に１／１０Ｎ−カセイソーダの５ｍｌを載せ、５５℃で４ｈｒ保持し、変化を見た。
テスト結果：透明樹脂層に変化は見られなかった。
（４）耐溶剤性テスト
テスト方法：耐酸性テストに使用したものと同じものの、透明樹脂層の上に２号揮発油の５ｍｌを載せ、室温（２０℃）で３ｈｒ保持し、変化を見た。
テスト結果：透明樹脂層に変化は見られなかった。

試料２のものは、透明樹脂層の樹脂カバーに対する密着性も良好であり、耐酸性、耐アルカリ性、耐溶剤性にも優れていて、屋外における使用にも充分に耐えられるものであることが判った。

鉄道架線、トンネル天井部分の点検時に使用されている検査・補修用の車両に装備されている白色照明などは、車両の供給電力限界が低いので、従来のキセノンランプ、蛍光管に替えて、本発明のＬＥＤデバイスを有効に使用することができる。この場合、使用時においてＬＥＤデバイスの発光面を真上方向に向けていることが多いことから、消灯時のＬＥＤデバイスに、太陽光や照明器具により、部分照射された場合に発生する定格許容範囲を超える起電力で、逆バイアスが影部のＬＥＤデバイスに掛かるが、これを的確に避けることができ、従来の如く特殊な保護カバーを設ける必要がないので、広範囲な各種の照明に広く使用することができ、とりわけ屋外において過酷な条件下で使用される照明のＬＥＤ化を図る可能性を増大し、工業的に量産するとこが可能であるため応用範囲も広いものである。

１白色ＬＥＤ素子
２実装基板
３樹脂カバー
４透明樹脂層
５透明樹脂層
６太陽
７地面
８遮蔽板
９遮光部分

Claims

実装基板上に直列に形成された複数の白色ＬＥＤを被覆する透明封止樹脂の表面に、上記複数の白色ＬＥＤ間の逆バイアスの発生を防止するようメジウムイエロー顔料を透過光線調整剤として含む反応硬化後に透明性と熱に追従する伸張性を有する光透過性樹脂の塗料を塗布して透明樹脂層を形成した屋外用のＬＥＤデバイス。
上記透明樹脂層は、被塗布表面に密着性を有し、水酸基価が１０〜６００、ガラス転移点が−５℃〜７０℃の活性水素化合物と、多官能ポリイソシアナートを化学当量比（ＮＣＯ／ＯＨ）０.２〜２で混合した二液型透明アクリルポリウレタン樹脂に、メジウムイエロー顔料を含有させた塗料を塗布し反応硬化させた柔軟性を有するものである請求項１に記載の屋外用のＬＥＤデバイス。
上記透明樹脂層を形成する上記塗料には、更にベンゾトリアゾール系、ベンゾフェノン系、ベンゾエート系の少なくとも一つから選ばれた紫外線吸収剤と、ヒンダードアミン系光安定剤が含有されていることを特徴とする請求項１または２に記載の屋外用のＬＥＤデバイス。
上記透明樹脂層を形成する上記塗料には、更に活性水素含有色素を０.５〜２重量％、ＯＨ基含有シリコンまたはフッ素のいずれか一つ以上を０．５〜５重量％含有されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の屋外用のＬＥＤデバイス。
上記実装基板の表面、実装基板を上部から覆うように設けられた調光用透明樹脂カバーの表面または裏面の少なくとも１つに、更に上記透明樹脂層を形成した請求項１〜４のいずれかに記載の屋外用のＬＥＤデバイス。