JP7083267B2 - 光源ユニット、灯具、及び照明装置 - Google Patents

Description

本発明は光源ユニット、灯具、及び照明装置に関し、特に基板の固定構造に関する。

従来の光源ユニットでは、基板に発光素子が配置された光源部と、光源部を支持する板状の光源支持部とを接着部材で固定する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１０９２１５号公報

特許文献１では、発光素子が発する熱により基板及び光源支持部が膨張した場合に、接着部材が、光源支持部よりも線膨張量の大きい基板に追従して変形するとされている。つまり、基板と光源支持部との線膨張差による剪断応力が接着部材に発生しても、その剪断応力を接着部材が吸収して接着部材に剪断破断は生じない、とされている。

しかしながら、特許文献１では、基板と光源支持部との線膨張差による剪断応力との関係で、接着部材の厚さ寸法をどのように設定するのかについて、あるいはどの程度に設定するのかについて、具体的には言及されていない。このため、特許文献１は、線膨張差による接着部材の剪断破断を防止する技術として、十分なものとは言えなかった。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、基板と光源支持部との線膨張差を考慮した厚さ寸法を有する接着部材を備えることによって、接着部材の剪断破断を防止することが可能な光源ユニット、灯具、及び照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光源ユニットは、基板の実装面に発光素子が配置されてなる光源部と、基板の実装面とは反対側の非実装面と対向する支持面を有し、支持面で光源部を支持する光源支持部と、非実装面と支持面との間に配置されるとともに非実装面と支持面とに接着することによって、光源部と光源支持部とを固定させる接着部材とを備え、接着部材における平板状の非実装面と平板状の支持面とに接着している部分の厚さ寸法は、それぞれが温度変化に伴って変化する基板の面方向の線膨張量と光源支持部の面方向の線膨張量との差による応力が、接着部材に加わった状態で接着部材が剪断破断しない厚さ寸法であるものである。

本発明によれば、接着部材が、基板と光源支持部との線膨張差を考慮した厚さ寸法を有するため、基板と光源支持部との線膨張差による接着部材の剪断破断を防止することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る光源ユニットを備えた照明装置を示す斜視図である。 図１の照明装置の分解斜視図である。 図１の灯具の分解斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る照明装置において、基板と光源支持部との膨張差が生じた際に接着部材に掛かる剪断応力の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る照明装置における接着部材の厚みを設定するための試験例の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る照明装置における接着部材の厚さ寸法の範囲を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る灯具の斜視模式図である。 本発明の実施の形態３に係る灯具の斜視模式図である。

以下、本発明の実施の形態に係る光源ユニットについて図面を参照しながら説明する。ここで、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、以下に記載する実施の形態の全文において共通することとする。そして、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、明細書に記載された形態に限定するものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光源ユニットを備えた照明装置を示す斜視図である。図２は、図１の照明装置の分解斜視図である。図３は、図１の灯具の分解斜視図である。本実施の形態１では、いわゆる光源一体型ベースライトに光源ユニットを適用した一例を示す。

図１に示すように、実施の形態１における照明装置１００は、照明器具１０１と、照明器具１０１に着脱自在に取り付けられる灯具１０２とを備える。灯具１０２は、光源ユニット１０３と、光源ユニット１０３の後述の光源部１０４を覆うように光源ユニット１０３に取り付けられた透光性の外郭１０７とを備える。

光源ユニット１０３は、光源部１０４と、光源支持部１０５と、接着部材１０６とを備える。光源部１０４は、長板状の基板１０４ａの実装面１０４ａａに発光素子１０４ｂが複数、配置された構成を有する。基板１０４ａは、ガラス・エポキシ基板（ＦＲ－４）、ガラス・コンポジット基板（ＣＥＭ－３）、紙エポキシ基板（ＦＲ－３）、紙フェノール基板（ＸＰＣ）、金属ベース基板などを用いることができる。発光素子１０４ｂには発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；以下ＬＥＤとも称する。）が用いられる。なお、発光素子１０４ｂには、ＬＥＤ以外のレーザダイオード又は有機ＥＬなどの他の固体発光素子が用いられてもよい。また、発光素子１０４ｂの数及び配置位置は、図示のものに限定されない。

光源支持部１０５は、長尺状の板状部材であり、光源部１０４を支持するものである。光源支持部１０５は、基板１０４ａの実装面１０４ａａとは反対側の非実装面１０４ａｂ（後述の図４参照）と対向する支持面１０５ａを有し、支持面１０５ａで光源部１０４を支持する。光源支持部１０５には、鉄、アルミニウムといった金属材料を含む材料が用いられる。なお、光源支持部１０５には、樹脂材料、セラミック材料を含む材料が用いられてもよい。

接着部材１０６は、基板１０４ａの非実装面１０４ａｂと光源支持部１０５の支持面１０５ａとの間に配置されている。接着部材１０６は、非実装面１０４ａｂと支持面１０５ａとに接着することによって、光源部１０４と光源支持部１０５とを固定させるものである。このように、接着部材１０６を用いて、基板１０４ａの非実装面１０４ａｂが光源支持部１０５の支持面１０５ａに接着されることで、光源部１０４が光源支持部１０５の支持面１０５ａに支持される構成となっている。

接着部材１０６は、温度変化に伴って膨張する基板１０４ａの面方向の線膨張量と、光源支持部１０５の面方向の線膨張量との差による応力が加わった状態で剪断破断しない厚さ寸法を有している。また、接着部材１０６の固化状態における硬度（硬さ）は、基板１０４ａの硬度（硬さ）よりも低く、線膨張した状態の基板１０４ａを損傷させない硬度（硬さ）となっている。そして、接着部材１０６の固化状態における硬度（硬さ）は、光源支持部１０５の硬度（硬さ）よりも低く、線膨張した状態の光源支持部１０５を損傷させない硬度（硬さ）となっている。換言すると、固化状態における接着部材１０６は、基板１０４ａあるいは光源支持部１０５よりも剛性率が小さく、変形しやすい性質を有する。

ここで、「硬度（硬さ）」は、デュロメータ、バーコール、ロックウェル、ビッカース、ヌーブ、ブリネルなどの試験方法によって測定することができる。また、「基板１０４ａの面方向の線膨張量」とは、発光素子１０４ｂから発生する動作熱によって基板１０４ａが長手方向に膨張したときの基板１０４ａの長手方向の長さと、常温での基板１０４ａの長手方向の長さとの差である。そして、「光源支持部１０５の面方向の線膨張量」とは、発光素子１０４ｂから発生する動作熱によって光源支持部１０５が長手方向に膨張したときの光源支持部１０５の長手方向の長さと、常温での光源支持部１０５の長手方向の長さとの差である。さらに、「剪断」とは、接着部材１０６が、接着部材１０６の接着面である基板１０４ａの非実装面１０４ａｂまたは光源支持部１０５の支持面１０５ａから剥離する状態、あるいは、接着部材１０６が塑性破壊する状態をさす。

接着部材１０６は、例えば一液式のものを用いることができる。接着部材１０６は、基板１０４ａの非実装面１０４ａｂと光源支持部１０５の支持面１０５ａとの何れかに塗布され、固化する前に非実装面１０４ａｂと支持面１０５ａとが貼合される。接着部材１０６は、完全に固化するまでの間において、灯具１０２の組立てに支障がないように、非実装面１０４ａｂと支持面１０５ａとが貼合された状態を維持できる接着機能を有する。つまり、灯具１０２は、非実装面１０４ａｂと支持面１０５ａとを接着している接着部材１０６が完全に固化する前であっても組み立て作業を行うことができる。これによって、灯具１０２の製造時間を短縮することができ、製造コストの削減に繋がる。

本実施の形態における基板１０４ａと光源支持部１０５とは、線膨張係数が異なる材料で形成されており、基板１０４ａの線膨張係数が光源支持部１０５の線膨張係数よりも大きい。故に、発光素子１０４ｂから発生する動作熱によって、基板１０４ａが光源支持部１０５よりも大きく膨張し、線膨張量に差が生じる。この様子について次の図４で説明する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る照明装置において、基板と光源支持部との膨張差が生じた際に接着部材に掛かる剪断応力の説明図である。図４において（ａ）は、常温で基板１０４ａが膨張していない場合、（ｂ）は、発光素子１０４ｂから発生する動作熱によって基板１０４ａが膨張した場合を示している。

基板１０４ａ及び光源支持部１０５は、発光素子１０４ｂから発生する動作熱によって、図４の（ａ）の状態から図４の（ｂ）の状態に膨張する。この膨張に伴い、接着部材１０６は、線膨張量の大きい基板１０４ａの非実装面１０４ａｂとの接触部分が、長手方向の外側に引っ張られるように変形する。接着部材１０６は、ここでは、上述したように、基板１０４ａと光源支持部１０５との線膨張差による剪断応力に耐え得る厚さ寸法を有している。このため、接着部材１０６は破断しない。接着部材１０６の膜厚の設定方法については後述する。

なお、基板１０４ａの線膨張量と光源支持部１０５の線膨張量との差は、発光素子１０４ｂから発生する動作熱に伴って変化する。このため、接着部材１０６は、その差が最大となる状態で、非実装面１０４ａｂ及び支持面１０５ａの何れとも接着部材１０６は接着した状態を保ち、破断しない厚さ寸法となっている。なお、以下では、基板１０４ａの線膨張量と光源支持部１０５の線膨張量との差が最大となるときの、その差を「最大線膨張差」という。

以下、接着部材１０６の厚さ寸法を設定するためのシミュレーション又は実機による試験例について次の図５を用いて説明する。

図５は、本発明の実施の形態１に係る照明装置における接着部材の厚さ寸法を設定するための試験例の説明図である。図６は、本発明の実施の形態１に係る照明装置における接着部材の厚さ寸法の範囲を説明するための図である。図６には、図５の試験において、シリコーン接着剤が破断するときの、シリコーン接着剤の厚さ寸法［μｍ］と押し出し寸法［ｍｍ］との関係を示している。この試験では、基板１０と台板２０とを、固化状態における硬度（硬さ）が６０～１００（デュロメータＡ）のシリコーン接着剤３０で接着した試験部材を用いる。そして、基板１０の熱膨張を、基板１０を横方向に押し出すことで代用している。

この試験部材において、シリコーン接着剤３０が以下の条件で破断することが確認された。
（１）シリコーン接着剤３０の厚さ寸法が９１μｍで、基板１０を０．３ｍｍ、横方向に押し出した時。
（２）シリコーン接着剤３０の厚さ寸法が２４１μｍで、基板１０を０．８ｍｍ、横方向に押し出した時。

以上により、シリコーン接着剤３０の厚さ寸法が大きくなる程、破断せずに許容できる線膨張差が長くなることがわかる。

そして、上記の試験部材を、常温の２５℃から８５℃まで温度上昇させた場合の基板１０と台板２０との線膨張差が０．２ｍｍであることが、シミュレーション又は実機にて判明した。ここで、「８５℃」は、照明装置１００の使用状態での最高温度であり、つまり０．２ｍｍの線膨張差は、「最大線膨張差」に相当する。よって、使用時の温度上昇によって破断しない接着部材１０６の厚さ寸法は、０．２ｍｍの線膨張差を許容できる厚さ寸法とすることが求められる。

この厚さ寸法を求める試験として図５で説明した試験を用いる。すなわち、基板１０を０．２ｍｍ、横方向に押し出したときにシリコーン接着剤３０が破断しない厚さ寸法を、シリコーン接着剤３０の厚さ寸法を変えて試験した。その結果、シリコーン接着剤３０の厚さ寸法が６１μｍ以上であるときに破断しないことが確認された。よって、接着部材１０６の厚さ寸法の下限値は６１μｍとされる。つまり、接着部材１０６は、固化状態における接着部材１０６の硬度（硬さ）である６０～１００（デュロメータＡ）と、最大線膨張差である０．２ｍｍとの組み合わせに対して対応付けられた基準寸法である、６１μｍ以上の厚さ寸法とされる。

一方、接着部材１０６の厚さ寸法の上限値は、接着部材１０６の熱伝導性を考慮して設定される。接着部材１０６の厚さ寸法が大き過ぎると、光源ユニット１０３の放熱性が悪化する。そこで、シリコーン接着剤３０の厚さ寸法を変えて、発光素子１０４ｂ（ＬＥＤ）のジャンクション温度（Ｔｊ）を下げる効果が概ね１℃以上悪化するときのシリコーン接着剤３０の厚さ寸法を求めたところ、１ｍｍであることが確認された。よって、接着部材１０６の厚さ寸法の上限値は１ｍｍとする。ここで、発光素子１０４ｂ（ＬＥＤ）のジャンクション温度（Ｔｊ）は、発光素子１０４ｂのパッケージ温度または電極温度、あるいは基板１０４ａの測定結果から推定される温度である。

以上説明したように本実施の形態１によれば、接着部材１０６の厚さ寸法を、基板１０４ａと光源支持部１０５との線膨張差を考慮して設定した厚さ寸法とした。このため、接着部材１０６の剪断破断を防止することができる。よって、光源ユニット１０３は長期に渡って信頼性を保つことが可能である。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１の光源ユニット１０３を適用した灯具に関し、具体的にはいわゆる直管ＬＥＤランプに関する。

図７は、本発明の実施の形態２に係る灯具の斜視模式図である。なお、図７において接着部材１０６を点線で示している。
灯具２００は、実施の形態１の光源ユニット１０３と、ヒートシンク２０１と、外管２０２とを有している。ヒートシンク２０１はアルミ製で外管２０２に固定されており、光源ユニット１０３の発光素子１０４ｂから発生する熱を灯具２００の外部へ放散する。外管２０２は、光源ユニット１０３及びヒートシンク２０１を内包するガラス製又はプラスチック製の筒状部材である。外管２０２の両端部は、エンドキャップ２０３及びエンドキャップ２０４によって塞がれている。エンドキャップ２０３及びエンドキャップ２０４は、ヒートシンク２０１に設けられたねじ孔（図示せず）に、ねじ２０５がねじ込まれることによってヒートシンク２０１に固定される。

エンドキャップ２０４にはアース端子２１０が設けられており、エンドキャップ２０３には給電端子２１１が設けられている。そして、灯具２００の外部から給電端子２１１を介して光源部１０４に電源電力が供給され、光源部１０４が点灯する。

このように構成された灯具２００は、実施の形態１の光源ユニット１０３を適用することにより、長期に渡って信頼性を保つことが可能である。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の光源ユニット１０３を適用した灯具に関し、具体的にはいわゆる電球形ＬＥＤランプに関する。

図８は、本発明の実施の形態３に係る灯具の斜視模式図である。
実施の形態３の灯具３００は、実施の形態１の光源ユニット１０３と、筐体部３０１と、口金部３０４とを備えている。また、図示していないが、灯具３００は更に、光源ユニット１０３を覆う、外形が曲面形状のグローブを備えている。グローブは例えばガラス又は樹脂などの透光性を有する素材で構成されている。

筐体部３０１は、樹脂筐体３０２と、樹脂筐体３０２に固定された筒状の金属筐体３０３とを備える。樹脂筐体３０２は、ポリカーボネート又はアクリルなどの樹脂素材、並びにセラミックなどを用いて形成される。樹脂筐体３０２は、内部に空間を有し、この空間に点灯回路（図示せず）が収容されている。金属筐体３０３は鉄又はアルミニウムなどの金属素材を用いて形成される。

口金部３０４は、一端が照明装置（図示せず）のソケットに嵌合する構造を有しており、照明装置経由で商用電力を灯具３００に入力する入力端となる。また、口金部３０４の他端は、筐体部３０１の金属筐体３０３に嵌合されている。商用電力は、口金部３０４を介して点灯回路（図示せず）に供給される。

点灯回路（図示せず）は、商用電力である交流から光源部１０４を駆動する直流に変換するＡＣ－ＤＣコンバータ回路を有する。点灯回路（図示せず）は、口金部３０４から入力された商用電力を、光源部１０４を点灯させる駆動電力に変換して、駆動電力を光源部１０４に供給する。これにより、光源部１０４が点灯する。

このように構成された灯具３００は、実施の形態１の光源ユニット１０３を適用することにより、長期に渡って信頼性を保つことが可能である。

１０ 基板、２０ 台板、３０ シリコーン接着剤、１００ 照明装置、１０１ 照明器具、１０２ 灯具、１０３ 光源ユニット、１０４ 光源部、１０４ａ 基板、１０４ａａ 実装面、１０４ａｂ 非実装面、１０４ｂ 発光素子、１０５ 光源支持部、１０５ａ 支持面、１０６ 接着部材、１０７ 外郭、２００ 灯具、２０１ ヒートシンク、２０２ 外管、２０３ エンドキャップ、２０４ エンドキャップ、２０５ ねじ、２１０ アース端子、２１１ 給電端子、３００ 灯具、３０１ 筐体部、３０２ 樹脂筐体、３０３ 金属筐体、３０４ 口金部。

Claims (7)

1. 基板の実装面に発光素子が配置されてなる光源部と、
   前記基板の前記実装面とは反対側の非実装面と対向する支持面を有し、前記支持面で前記光源部を支持する光源支持部と、
   前記非実装面と前記支持面との間に配置されるとともに前記非実装面と前記支持面とに接着することによって、前記光源部と前記光源支持部とを固定させる接着部材とを備え、
   前記接着部材における平板状の前記非実装面と平板状の前記支持面とに接着している部分の厚さ寸法は、それぞれが温度変化に伴って変化する前記基板の面方向の線膨張量と前記光源支持部の面方向の線膨張量との差による応力が、前記接着部材に加わった状態で前記接着部材が剪断破断しない厚さ寸法である光源ユニット。
2. 前記差は、
   前記接着部材が前記非実装面及び前記支持面の何れとも接着している状態で最大となる差である請求項１に記載の光源ユニット。
3. 前記差は、
   前記発光素子から発生する動作熱によって最大となる請求項１又は請求項２に記載の光源ユニット。
4. 前記接着部材は、
   固化状態において、前記基板の硬度より低い硬度を有する請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光源ユニット。
5. 前記接着部材は、
   前記接着部材の硬度と前記最大となる前記差との組み合わせとに対応付けられた基準寸法以上の厚さ寸法を有する請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光源ユニット。
6. 請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光源ユニットを有する灯具。
7. 請求項６に記載の灯具を有する照明装置。

Images