JP6390828B2

JP6390828B2 - 照明器具

Info

Publication number: JP6390828B2
Application number: JP2014010793A
Authority: JP
Inventors: 隆憲堀; 昌敏石田; 典弘宇根川
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: JP2015138714A

Description

本発明は、発光ダイオード等の発光素子を光源とする照明器具に関する。

従来から、発光ダイオード（以下、「ＬＥＤやＬＥＤモジュール」と呼ぶ）を光源とするダウンライト（照明器具）や水銀灯代替品が知られており、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のダウンライトは、金属製の装置本体と、複数のＬＥＤを実装した光源基板と、ＬＥＤの点灯に必要な電流を制御する電源装置と、ＬＥＤからの光を配光する反射体及びバッフルとを備えている。光源基板は、装置本体の底壁に面接触する形で取り付けられている。而して、ＬＥＤが点灯する際に発する熱を光源基板及び装置本体を介して大気中に放出することで、ＬＥＤ周辺の雰囲気温度の上昇を防いでいる。また、装置本体の外面には複数の放熱フィンが設けられており、当該放熱フィンによって装置本体の外面の表面積を大きくすることで、装置本体を大型化することなく放熱効果を高めている。水銀灯代替品も、ダウンライトとほぼ同等の構造から成り立っているものが多い。

特開２０１０−１６００３号公報

近年では１個のＬＥＤモジュールの高出力化が促進されており、従来の多数のＬＥＤを用いた照明器具と同等の光出力を、少数のＬＥＤモジュールで得ることができるようになっている。それにより、従来と比較してＬＥＤモジュールを配設するために必要なスペースが少なくてすむため、照明器具本体の小型化を図ることができるようになっている。

ところが、照明器具自体の発熱量は同等であり、ＬＥＤモジュール１個あたりの放熱環境は、従来の多数のＬＥＤを用いた照明器具よりも厳しくなっているのが現状である。これらの背景により、ＬＥＤモジュールと放熱フィンとの熱抵抗の低減や、熱抵抗の変動等によるリスクの低減、またＬＥＤモジュールの近傍に位置して、高温と光熱の影響を受けやすい、樹脂製のリフレクターの経時色変化による輝度低下の低減も必要となってくる。

本発明では、高出力のＬＥＤモジュールを用いた照明器具において、ＬＥＤモジュールとその接触面の熱抵抗の低減を実現するとともに、樹脂製のリフレクターの経時色変化による輝度低下の低減を図り、照明器具の長期信頼性を確保することを目的とする。

本発明の照明器具は、ＬＥＤモジュールと、少なくとも前記ＬＥＤモジュールを収納する有底筒状の器具本体と、前記ＬＥＤモジュールから発せられた光を制御するための樹脂製のリフレクターを備え、前記器具本体は、その底部に前記ＬＥＤモジュールが取り付けられるとともに、前記ＬＥＤモジュールが発する熱を自身を介して外部に放出させて放熱性を有することができる材料や形状で形成され、前記樹脂製のリフレクターは、前記ＬＥＤモジュールから発せられた光を、照明器具内部でロス光としないで所定の集光特性を実現するための形状を有するとともに、前記ＬＥＤモジュールの発する熱を効率よく前記ＬＥＤモジュールを介して前記器具本体に伝えて放熱するために、前記樹脂製のリフレクターの反射面の前記ＬＥＤモジュールを介して前記器具本体に熱を伝える側である接触端部側の厚さを厚肉となる形状とし、前記ＬＥＤモジュールは、前記器具本体の取り付け面に設けられ且つ当該ＬＥＤモジュールの上面と前記取り付け面の周縁部の高さがほぼ同等となるように掘り込んだ形状の凹部に設けられ、外周部各頂点付近に設けられた固定用の穴を使用することなく前記外周部である４辺のそれぞれの前記頂点近傍の外側に少なくとも１つずつ設けられた少なくとも合計４箇所のネジで前記器具本体に固定されていることを特徴とする。

本発明は、ＬＥＤモジュールから発せられる熱を、効率よくかつ安定した状態で照明器具本体に伝えて放熱することが可能となるとともに、前記ＬＥＤモジュールに近接する樹脂製のリフレクターへの熱の伝導を最小限で抑えることができるので、前記樹脂製のリフレクターの経時色変化による輝度低下の低減を図り、照明器具の長期信頼性を確保することができる。

本発明に係る照明器具の実施形態を示す図で、（ａ）は照明器具の裏面図、（ｂ）は照明器具の側面断面図、（ｃ）は照明器具の正面図である。（ａ）はＬＥＤモジュールの仕様どおりの固定穴を示した正面図で、（ｂ）は本発明のＬＥＤモジュールの固定方法を示した正面図、（ｃ）は同上の側面断面図、（ｄ）は取り付け面の形状を示した側面断面図である。なお、（ｄ）は理解しやすいようにＬＥＤモジュールの図は省略した。（ａ）は本発明のＬＥＤモジュールとリフレクターの関係を示した正面図で、（ｂ）は同上の側面断面図、（ｃ）は（ｂ）のＬＥＤモジュールとの接触面の厚さが、樹脂製のリフレクターの反射面の厚さよりも厚肉となる形状を示す拡大図。

以下、本発明に係る照明器具２０の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、天井に配設される水銀灯代替品のものであって、図１と図２に示すように、ＬＥＤチップ１０（発光ダイオード）が実装された基板１１を有するＬＥＤモジュール１と、放熱特性を有する有底筒状の器具本体２と、照明器具内部でロス光とすることなく、また求められる集光特性を実現するための形状を有する樹脂製のリフレクター４を備える。

また、ＬＥＤモジュール１に点灯電力を給電するＡＣ−ＤＣ電源（図示せず）との間を繋ぐ電源線（図示せず）が、器具本体２の裏面側から取り出されている。なお、ＡＣ−ＤＣ電源は、必ずしも本発明の照明器具の外部に設置する必要はなく、内部に配置することも可能である。また、照明灯具を取り付ける吊り金具等、本発明と因果関係を有さない部品等は、図示および説明を省略するものとする。

器具本体２は、図１に示すように、ＬＥＤモジュール１を収納する有底筒状であり金属材料で形成されることが好ましく、本実施例ではアルミのグラビティー鋳造法製である。器具本体２の外周部には放熱フィン３が形成されることが好ましく、本実施例においては、裏面部と側面部に設けられている。また有底筒状の内部が、ＬＥＤモジュール１を取り付ける面となっている。さらに、器具本体２の下部には、透光性を有する樹脂材料（本実施形態では、ポリカーボネート）から成る円盤状の透光パネル５（透光部材）が円環状のパッキン６を介して載置されるのが好ましい。もちろん、使用目的によっては、拡散透光性を有する樹脂材料を用いることが好ましい場合もある。

本実施例においては、ＬＥＤモジュール１はシチズン電子社製の外形寸法□２８ｍｍのＣＬＬ０４０−１８１８Ａ１を採用した。使用個数は４個である。

ＬＥＤモジュール１は、図２に示すように、青色発光する矩形板状のＬＥＤチップ１０と、透光性を有する樹脂材料から成り、ＬＥＤチップ１０を封止する円盤状の封止部材１２と、ＬＥＤチップ１０が実装される基板１１とを備える。

封止部材１２には、ＬＥＤチップ１０が発する青色光によって励起され、青色光に対して補色の関係にある黄色光を放射する黄色の蛍光体（図示せず）が混入されている。尚、ＬＥＤモジュール１は白色光を放射するものであればよく、白色光を放射する構成としては、上記の青色光を発するＬＥＤチップ１０と黄色の蛍光体との組み合わせに限定されるものではない。

図２（ａ）に示すように、シチズン電子社製のＬＥＤモジュール１には、ＬＥＤモジュール１の固定用の穴１３が、対角に２箇所しか設けられていない。本実施例においては、このＬＥＤモジュール１は一個あたり約４０Ｗで駆動されるが、実験において、ＬＥＤモジュール１自体のもともとの反りやねじれ、また取り付け面の状態によっては、固定用の穴が設けられていない辺が浮いてしまい、器具本体２への放熱が十分に行われないケースがあることが判明した。また、初期状態において浮きがない状態であっても、ＬＥＤモジュール１の点灯時の発熱において隙間が生じて、接触面が不安定な状態になるものがあることも判明した。このＬＥＤモジュール１自体の消費電力が少ないものであれば、放熱用のグリスや放熱シート等を用いるだけで、熱の安定化を図ることも可能な場合もあるが、本実施例のように高出力のＬＥＤモジュール１を搭載した場合、この不安定さが照明器具自体の長期信頼性を損なうことは言うまでもない。

そこで、ＬＥＤモジュール１の外周部各頂点付近の少なくとも合計４箇所を固定ネジ７で器具本体２に固定することを実現しようと試みたが、前述のとおりＣＬＬ０４０−１８１８Ａ１には固定用の穴１３は２箇所しか設けられておらず、仮に後加工で固定用の穴１３を追加しようとしても、電力供給用の半田付け端子が存在して、穴を追加することができない。

さらには、光の制御を目的として、ＬＥＤモジュール１近傍に樹脂製のリフレクター４を取り付けるのが一般的であるが、ＣＬＬ０４０−１８１８Ａ１の場合、固定用の穴がリフレクター４の取り付け場所と干渉する場所に存在することも付け加えておく。他社品も検索してみたが、ほぼ同等の寸法、止め穴仕様であった。

これらの問題を解決するために、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、ＬＥＤモジュール１の既存の固定用の穴１３を使用するのではなく、さらに固定ネジ７の位置を外側にシフトさせて設けることにより、ＬＥＤモジュール１の外周部各頂点付近の少なくとも合計４箇所を固定ネジ７で前記器具本体に固定することを実現できるようになった。このことにより、前述のリフレクター４との干渉の問題も併せて解決することができた。

なお、前述の構造とした場合、ＬＥＤモジュール１の固定位置が不安定となる問題が発生してしまう。さらには、図２（ｂ）（ｃ）に示すように固定ネジ７がＬＥＤモジュール１のみを締め付けてしまう構造となるために、固定ネジ７の緩み等が懸念される。

これらの問題を解決するために、固定ネジ７で締め付けた時の、ＬＥＤモジュール１の上面と固定ネジ７の固定面の高さがほぼ同等となるように、器具本体２のＬＥＤモジュール１の取り付け面を掘り込んだ形状とすることとした。

なお、図２に示すように、この掘り込みは、垂直な壁とするのではなく、４辺ともに約４５度のテーパーを設けている。これは、ＬＥＤモジュール１を固定する際の位置決めが容易にできるようにすることと、併せてＬＥＤモジュール１の端面上部に配線パターン等が配置されている場合を想定しての、絶縁対策の効果もあることを付け加えておく。

もちろん、前記ＬＥＤモジュール１の取り付け面を掘り込んだ形状とするのではなく、例えば逆に前記ＬＥＤモジュール１の位置決め用の突起を必要個所形成し、前記固定ネジ７止め部分を、同様の効果を得られる寸法となるように突起を出すことでも実現可能であることは言うまでもない。

前述の効果により、ＬＥＤモジュール１から発せられた熱を、良好にかつ安定的に器具本体２に伝えることができるようになるが、ＬＥＤモジュール１と器具本体２の接触面に放熱グリス等を塗布することや放熱シートを挟み込むことや、あるいはその両方を使用することで、さらに良好にかつ安定的な熱の伝達が可能となることは言うまでもない。

なお、絶縁シートを挟み込む場合には、前記ＬＥＤモジュール１の取り付け面を掘り込む寸法は、絶縁シートの厚みを考慮した寸法分ほど大きくする必要がある。

参考までに、従来の２箇所の固定ネジ７の場合と、本実施例の４箇所の固定ネジ７の場合の温度差は４．５℃であった。

さらに、実験の過程において、前述の構成で熱対策を施したケースでも、測定ポイントにおいて温度差があることが判明した。

調査の結果、これは前記ＬＥＤモジュール１自体がもつ、基板１１の反り方向やねじれの方向の個体差によるものであることが判明した。一般的に前記ＬＥＤモジュール１の基板１１には、熱伝導の良いアルミ板が用いられており、このアルミ板自体が持つ反りやねじれが起因している。製品は、四角い前記ＬＥＤモジュール１の外周部４カ所を固定ネジ７で固定する構造であるがために、この、反りやねじれが、取り付け面に対して下向きであれば、前記ＬＥＤモジュール１の中央部が取り付け面と接して、安定した熱伝導を得ることができるのであるが、取り付け面に対して上向きの場合、取り付け面に対して隙間が生じてしまう。これによって良好な熱伝達を得ることができなくなってしまう。

これらの問題を解決するために、図２（ｄ）に示すように、前記ＬＥＤモジュール１の取り付け面の断面形状を、前記ＬＥＤ１モジュール１を取り付ける方向に緩やかなＲ面１４とした。これにより、前記ＬＥＤモジュール１の反りやねじれの方向に影響されることなく、安定した熱伝達が可能となった。

図３に示すように、樹脂製のリフレクター４は、ＬＥＤモジュール１から発せられた光を、照明器具内部でロス光とすることなく、また求められる集光特性を実現するための形状をしている。本実施例の場合、比較的低い天井面に取り付けられることを想定した製品と、比較的高い天井面に取り付けられることを想定した製品を想定しており、リフレクター４自体を２段構造として、２段目の装着の有無で製品の集光特性を制御する方式を採用している。

従来、ＬＥＤモジュール１から発せられた光をロスすることなく集光する目的で、ＬＥＤモジュール１の上面とリフレクター４の下面は隙間の生じないように設計することがセオリーで、かつ反射面の肉厚は、成型時のヒケ等による凹凸を避ける目的で、均一にするのがセオリーであった。ただ、本実施例の試作段階において、従来のセオリーどおりの構造の既製品の樹脂製のリフレクター４で長期信頼性試験を実施したところ、樹脂製のリフレクター４とＬＥＤモジュール１の近接した部分の樹脂の色の変化が確認された。一般的にリフレクター４に使用されるのは、反射率の高い白色樹脂であり、この白色樹脂の経年色変化は反射率の低下につながり、最終的には照明灯具の長期信頼性に直接影響してくる。

本実施例の試作段階において用いた既製品のリフレクター４は、樹脂製のリフレクター４とＬＥＤモジュール１の近接した部分の肉厚が、極めて薄く設計されていたため、ＬＥＤモジュール１から発せられた光が、樹脂製のリフレクター４の反射面で吸収されることで発生した熱が、放熱されることなく蓄積されたのが原因であることが判明した。

実験の結果、樹脂製のリフレクター４の反射面で吸収されることで発生した熱が、放熱されることなく蓄積された場合と、ＬＥＤモジュール１を介して、器具本体２に伝えて放熱させた場合の温度差は、実に１７℃もあることがわかった。

この問題を解決するために、図３に示すとおり、樹脂製のリフレクター４の形状を、ＬＥＤモジュール１の発する熱を効率よく器具本体２に伝えて放熱するために、ＬＥＤモジュール１との接触面の厚さを、樹脂製のリフレクター４の反射面の厚さよりも厚肉となる厚肉形状１５とした。

なお、リフレクター４は、射出成型により白色のポリカーボネートで形成されている。
最後に、本実施例においては、水銀灯代替品にＬＥＤモジュール１を搭載した例を記載したが、本発明はダウンライトや投光器といった、高出力のＬＥＤモジュール１を搭載する製品全般に適用が可能であることは言うまでもない。

従来の水銀灯は、従来の蛍光灯と比較すると、発光効率や演色性が低く、ＬＥＤ化を実現した場合の、経済コストやＣＯ_２削減の効果が非常に大きく、社会への大きな貢献が期待できる。

１ＬＥＤモジュール
２器具本体
３放熱フィン
４リフレクター
５透光パネル
６パッキン
７固定ネジ
１０ＬＥＤチップ
１１基板
１２封止部材
１３固定用の穴
１４Ｒ面
１５厚肉形状
２０照明器具

Claims

ＬＥＤモジュールと、少なくとも前記ＬＥＤモジュールを収納する有底筒状の器具本体と、前記ＬＥＤモジュールから発せられた光を制御するための樹脂製のリフレクターを備え、前記器具本体は、その底部に前記ＬＥＤモジュールが取り付けられるとともに、前記ＬＥＤモジュールが発する熱を自身を介して外部に放出させて放熱性を有することができる材料や形状で形成され、前記樹脂製のリフレクターは、前記ＬＥＤモジュールから発せられた光を、照明器具内部でロス光としないで所定の集光特性を実現するための形状を有するとともに、前記ＬＥＤモジュールの発する熱を効率よく前記ＬＥＤモジュールを介して前記器具本体に伝えて放熱するために、前記樹脂製のリフレクターの反射面の前記ＬＥＤモジュールを介して前記器具本体に熱を伝える側である接触端部側の厚さを厚肉となる形状とし、前記ＬＥＤモジュールは、前記器具本体の取り付け面に設けられ且つ当該ＬＥＤモジュールの上面と前記取り付け面の周縁部の高さがほぼ同等となるように掘り込んだ形状の凹部に設けられ、外周部各頂点付近に設けられた固定用の穴を使用することなく前記外周部である４辺のそれぞれの前記頂点近傍の外側に少なくとも１つずつ設けられた少なくとも合計４箇所のネジで前記器具本体に固定されていることを特徴とする照明器具。
前記ＬＥＤモジュールの取り付け面の前記凹部の底面の断面形状を、前記ＬＥＤモジュールを取り付ける方向に緩やかなＲ面とする形状としたことを特徴とする、請求項１記載の照明器具。