JP2018055765A - 電球型照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製の筺体を採用し、かつ、放熱性の高い構造を有した電球型照明装置を提供する。【解決手段】樹脂製の筺体と、筺体に少なくとも一部が覆われる樹脂製で中実の部品と、中実の部品の一方向側に載置される半導体光源とを有し、樹脂は絶縁性の樹脂であり、中実の部品の高さ方向の長さが筺体の放熱面である胴部の高さ方向の長さの15％以上となるようにする。【選択図】図２

Description

本発明は、電球型照明装置に関する。

ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体素子を有する発光体を備えた電球型照明装置は、白熱電球と比較して長寿命化・省エネルギー化を図ることができるため、近年注目が集まっている。ＬＥＤを用いた電球型照明装置では、高輝度化及び高信頼性のために、放熱性の高い構造が望まれ、金属製の筺体がヒートシンクとして採用されてきた。しかしながら、近年、ＬＥＤを用いた照明装置の需要が高まり、これにともないＬＥＤを用いた電球型照明装置においても軽量化とコスト低減の要望が強くなっており、金属製筺体から樹脂製筺体への置き換えが提案されている。

例えば特許文献１では、断熱材施工天井埋め込み器具向けに金属製筺体の照明装置で適用されている過熱保護用の電流制限機能を樹脂筺体の照明装置に適用することが提案されている。明るさが足りない場合には、筺体の胴部を太くするなどして表面積を大きくする、ＬＥＤ素子の配置間隔を十分に広くとって発熱密度を小さくするなどが対策として提案されている。

特開２０１４−０２９８６６号公報

軽量で低コストの樹脂製の筺体の電球型照明装置においても、明るさを制限にしたり、筺体の胴部を白熱電球の外形よりも太めに変更したりすることなく、より一層大光量となる、放熱性の高い構造が望まれている。本発明は、樹脂製の筺体を採用し、かつ、放熱性の高い構造を有した電球型照明装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の電球型照明装置は、樹脂製の筺体と、筺体に少なくとも一部が覆われる樹脂製で中実の部品と、中実の部品の一方向側に載置される半導体光源とを有し、樹脂は絶縁性の樹脂であり、中実の部品の高さ方向の長さが筺体の放熱面を有する胴部の高さ方向の長さの15％以上であることを特徴としている。

本発明により、樹脂製筺体において放熱性の高い構造を有した電球型照明装置を提供することができる。

電球型照明装置の外観斜視図である。 図１に示される電球型照明装置の縦断面図である。 図１に示される電球型照明装置の別の部分における縦断面図である。 図１に示される電球型照明装置の別の部分における縦断面図である。 図１に示される電球型照明装置の別の部分における縦断面図である。 図５に示される電球型照明装置の分解縦断面図である。 図５に示される電球型照明装置の別の部分における縦断面図である。 図１に示される電球型照明装置の別の部分における縦断面図である。 図８に示される電球型照明装置の分解縦断面図である。 電球型照明装置の周囲の温度境界層を示した外観側面図である。 電球型照明装置の周囲の温度境界層を比較した外観側面図である。 図３に示される電球型照明装置の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の高さとの関係を示すグラフで放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さＬが３６ｍｍの場合について示している。 図１２に示した電球型照明装置の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の高さとの関係において単位長さあたりの熱抵抗低減の変化率を示すグラフである。 図３に示される電球型照明装置の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の高さとの関係を示すグラフで放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さＬが４７ｍｍの場合について示している。 図１４に示した電球型照明装置の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の高さとの関係において単位長さあたりの熱抵抗低減の変化率を示すグラフである。

本発明の実施形態について、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。また、本実施形態では図１に示すような電球型照明装置１００の向きを上下方向とする。

図１は、電球型照明装置の外観斜視図である。図２は、電球型照明装置の縦断面図である。

＜電球型照明装置１００＞
電球型照明装置１００は、半導体発光素子としてのＬＥＤ９を有する発光体８と、発光体８を覆うカバー部材１と、発光体８で発生する熱を放出する放熱筐体２と、発光体８と放熱筐体２の間に配置され発光体８の熱を受け、その一部を放熱筐体２に伝える樹脂部品７と、口金（図示せず）と、を備えている。放熱筺体は放熱面である胴部３と口金取り付け部４で構成されている。口金の詳細については省略しているが、口金取り付け部４の外周面には、口金の内周面に対応するねじ山が形成され、口金が被着される。

＜放熱筐体２＞
放熱筐体２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、上方に向けて縮径する外形を有する中空かつ筒状の部材であり、下面に凹部２１、２２を備えている。凹部２１、２２については後記する。樹脂は絶縁性でフィラとしてアルミナ、窒化アルミニウム、酸化チタン、ガラスビーズ、炭酸カルシウム、マイカ、シリカ、酸化マグネシウム、などを混ぜて使用し、増量・補強だけでなく、熱伝導性向上、外表面における熱放射性向上や光反射・光散乱性向上などを図っている。フィラ形状、粒度分布、密度などは材料価格や射出成型加工安定性に影響するため、軽量低コスト向けの樹脂筺体に適する絶縁性樹脂材料の熱伝導率は０．５〜２．０Ｗ／ｍＫ程度の範囲である。

放熱筐体２の筒状の胴部３は、胴部３と一体成形され、軸線を中心として放射状に配置された複数のフィンと、を備えていてもよい。フィンの代わりに凹凸形状でもよい。それぞれのフィンが胴部３の外周面から径方向外向きに突出し、かつ、軸線方向に延在するように配置することによって、放熱筺体２の放熱性能を向上させることができる。

図２に示すように、放熱筺体２の口金取り付け部４の内部は円筒状であり、胴部３の内部は電源回路基板５を収容可能な内径の円筒で、凹部２２において内径を拡大して樹脂部品７が挿入され、密着される。円筒内に保持部（図示せず）を形成して電源回路基板を保持している。

図３は図２とは異なる電球型照明装置１００の縦断面図である。胴部３の内径は上方に向けて縮径し、下面にある凹部２２において内径を拡大して樹脂部品７が挿入され、密着される。図４は図２および図３とは異なる電球型照明装置１００の縦断面図である。胴部３の内径は上方に向けて縮径し、下面に樹脂部品７０を固定する凹部を形成せずに、樹脂部品７０の外形を上方に向けて縮径し密着固定するようにしている。

＜カバー部材１＞
カバー部材１は、ドーム形状の外形を有する部材である。カバー部材１は、ＰＣ（ポリカーボネート）などの樹脂製又はガラス製であり、発光体８に向けて開口している。ちなみに、カバー部材１には、発光体８からの光を拡散させる光拡散材が含有されていてもよい。カバー部材１と放熱筺体２とは、カバー部材１の開口端部１１を放熱筐体２の凹部２１に差し込み接着材などにより固定される。

電球型照明装置１００は、白熱電球の代替として利用されるため、白熱電球の外形形状に準拠している。カバー部材１の高さ方向の長さを大きくして表面積を大きくし、上方向
、すなわち、口金の方向に向いた面を確保すると光が上方向に広がるようになる。外形形状に制限があるので放熱筺体２の高さ方向の長さLとの寸法の取り合いとなる。

図２に示すように、カバー部材１と放熱筐体２との間には、発光体８、樹脂部品７などが位置している。発光体８は、ＬＥＤ９（半導体素子）と、基板８０と、を備えている。発光体８は一部分に穴が設けられた略円形である。基板８０に貫通穴８１が設けられている。

＜樹脂部品７＞
樹脂部品７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）などの放熱筺体２と同様の樹脂製で、図２に示すように放熱筺体２の凹部２２で内接する外形を有する中実の部材であり、下面に発光体８を載置する。発光体８を構成する基板８０に設けられている貫通穴８１の位置に対応する樹脂部品７上の位置に貫通穴７０１が設けられている。貫通穴８１、７０１の位置は電源回路基板５と発光体８の間を給電接続する出力リード線６を通す際に不都合が生じなければ、各部材の中心でなくてもよい。樹脂は絶縁性でフィラとしてアルミナ、窒化アルミニウム、酸化チタン、炭酸カルシウム、シリカ、酸化マグネシウム、などを混ぜて使用し、増量・補強だけでなく、熱伝導性向上、熱輻射性向上などを図っている。フィラ形状、粒度分布、密度などは材料価格や射出成型加工安定性に影響するため、軽量低コスト向けの樹脂筺体に適する絶縁性樹脂材料の熱伝導率は０．５〜２．０Ｗ／ｍＫ程度の範囲である。

樹脂部品７と発光体８の固定はねじ止めなどで行う。樹脂部品７と放熱筺体２の凹部２２の固定方法は、ねじ止めのほか、接着剤による接着、いずれか片方あるいは両方の表面を局所加熱することにより軟化させて熱圧着、などによって実施する。

図１０は、電球型照明装置１００のまわりに発生する温度筺体層を示した側面図である。数値計算により、白熱電球１００Ｗ型に相当する発熱量を６Ｗとし、放熱筺体の胴部は簡易的に中実として熱伝導率１．２５Ｗ／ｍＫ、熱放射率０．９で一様発熱させ、カバー部材１は、肉厚１ｍｍの中空の球面形状として熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ、熱放射率０．９の条件で、電球型照明装置の周囲の空気の温度の等温線を求めたものである。最外側の等温線は周囲環境温度から０．５℃上昇した位置を表しており、この等温線を温度境界層とみて評価した。図１０の（ａ）と（ｂ）はカバー部材１と放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さの割合が異なっているものでカバー部材１の割合が大きいものは光が上方すなわち口金側に広がる傾向にあるが、放熱面である胴部３の表面積が減少するため放熱能力が低下する傾向にある。図１０の（ｃ）と（ｄ）は（ａ）と（ｂ）に各々対応して、実際には略円錐台形状で傾斜している胴部３の放熱面を円柱形状の垂直壁面として胴部３の下端からの温度境界層の発達具合を比較したものである。図１１の（ａ）〜（ｄ）は図１０に対応して、温度境界層をあらわし、胴部３の下端の位置を揃え温度境界層の発達がほぼ完了し飽和して放熱面から空気側への熱伝達率が低下してくる位置を比較したものである。各々の場合に関してほぼ同じ傾向で胴部３の下端からほぼ２０ｍｍぐらいの高さにおいて発達が完了していることがわかる。図１０および図１１の数値計算例では、胴部２を一様発熱させた理想的な場合である。図２のように、発光体８が熱源となっている場合には放熱面である放熱筺体２の胴部３において温度境界層の発達過程にある前縁部（下端から２０ｍｍ程度まで）に相当する領域に発光体８からの熱を効率よく移動させ、外部に放熱させるために、この発達領域を網羅するようにする。

胴部３において胴部３の肉厚ｔの分だけ高さ方向に熱が移動しやすくなるので樹脂部品７の高さ方向の長さＴと放熱筺体２の胴部３の肉厚ｔが式（１）の関係を満足するように設定すると放熱効率を向上することができる。

Ｔ＋ｔ ＜ ２０ （１）

肉厚ｔは樹脂材料やフィラ材の選択にもよるが、成形しやすさから４ｍｍ程度前後となるので樹脂部品７の高さ方向の長さＴの上限は１６ｍｍ程度となる。この上限を超えた分の樹脂部分は放熱効率の改善への寄与が小さくなり、コストパフォーマンスが下がる。

図１２および図１４は、図３の電球型照明装置１００の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の長さＴの関係を数値計算により求めたグラフで、樹脂部品７の高さ方向の長さＴ＝０、すなわち、樹脂部品７を搭載しない状態の熱抵抗値を基準とした相対比率でまとめている。図１２は放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さＬが３６ｍｍの場合について示している。また、図１４は放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さＬが４７ｍｍの場合について示している。各々の胴部３の肉厚ｔを変えて比較している。樹脂部品７の高さ方向の長さＴが１６ｍｍとなると胴部の肉厚ｔの違いによる伝熱の効果も僅差となり、飽和の傾向を示している。図１３および図１５は図３の電球型照明装置１００の熱抵抗と樹脂部品７の高さ方向の長さＴの関係において、単位長さ辺りの熱抵抗低減の変化率をまとめたグラフである。樹脂部品の高さ方向の長さＴが６ｍｍ前後のとき、あるいは、胴部の高さ方向の長さＬの１５％前後のときに、単位長さ辺りの熱抵抗低減の変化率がピークを示している。この結果は、胴部の肉厚ｔ内の熱拡散の効果により、Ｔ+ｔ＝６+４＝１０ｍｍで、図１１の温度境界層の発達過程の中間点の１０ｍｍと対応がとれている。
樹脂部品７の高さ方向の長さＴと放熱筺体２の胴部３の肉厚ｔが式（２）の関係を満足するように設定すると放熱効率向上に対する樹脂のコストパフォーマンスがよくなる。

１０ ＜ Ｔ＋ｔ ＜ ２０ （２）

また、放熱筺体２の胴部３の高さ方向の長さＬと樹脂部品７の高さ方向の長さＴが式（３）の関係を満足するように設定すると放熱効率が高くなる。

Ｌ×０．１５ ＜ Ｔ ＜ Ｌ×０．３５ （３）

＜発光体８＞
発光体８は、一部分に貫通穴８１を有する略円板状の基板８０と、基板８０に設けられるＬＥＤ９と、から構成されている。

基板８０の表面には、ＬＥＤ９に接続される所定のパターンが形成されている。

ＬＥＤ９に用いられる発光素子としては、例えば青色光を発するものが使用される。それぞれのＬＥＤ９は、例えばシリコ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、ＬＥＤ９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、例えば黄色発光のものが用いられ、当該蛍光体によってＬＥＤ９からの青色光が色変換されて、白色光となる。なお、ＬＥＤ９は、光の取り出し効率を向上させるために、半球状のレンズで覆われていてもよい。なお、ＬＥＤ９の代わりに発光素子をパッケージに搭載し蛍光体が混入された封止樹脂で表面実装タイプの白色発光のＬＥＤ部品に置き換えて基板８０にはんだ実装してもよい。

＜電源回路基板５＞
電源回路基板５は、複数の電子部品（図示せず）が基板に実装されたものである。電源回路基板５は、近傍にコンデンサ（図示せず）が設置されている。また、電源回路基板５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。商用電源からの交流電力の入力は、ＪＩＳ規格などで指定されているソケット（図示せず）の受け金（図示）に電球型照明装置１００の口金（図示せず）が締結された際に受け金から口金に入力される。口金と電源回路基板５は入力リード線（図示せず）で接続されており、電源回路に交流電力が入力される。

電源回路基板５は放熱筺体２の一端面側（下方向側）から収納される。放熱筺体２の内壁には、電源回路基板５をそれぞれ保持する保持部（図示せず）が形成される。保持部は、放熱筺体２の内周における向かい合う箇所に設けられている。保持部は放熱筺体２に設けられており、電源回路基板５を保持できる形状、構造であれば、溝状の構造でも突起状の構造でもよい。保持部は放熱筺体２の胴部３における下方から上方に亘って設けられていても良いし、一部のみに設けられていても良い。放熱筺体２における下方に保持部が設けられている場合は、電源回路基板５を保持するという効果に加え、放熱筺体２に収納する際に入れ易くなるという効果を奏する。放熱筺体２の胴部３における下方から上方に亘って保持部が設けられている場合は、一部のみに保持部が設けられている場合に比べて、より強く保持することが可能となる。これと、電源回路基板５の形状と、により電源回路基板５を放熱筺体２に下方向から入れた際に放熱筺体２の上方向から抜け出してしまうことがないという効果を奏する。
図５は図２とは異なる電球型照明装置１００の縦断面図である。図６は図５の分解縦断面図である。電源回路基板５０は放熱筺体２の一端面側（下方向側）から収納される。放熱筺体２の胴部３の内壁には、電源回路基板５０をそれぞれ保持する溝状保持部２４が形成される。同様に樹脂部品７側においても溝状保持部７１を設けている。電源回路基板５を保持するという効果に加え、発光体８からの熱を樹脂部品７で受けて放熱筺体２へ伝搬する際に溝状保持部７１および２４を通して熱が電源回路基板５０内を経由することで熱伝達性能を向上するという効果を奏する。溝状保持部７１および２４において樹脂部品７および放熱筺体２と電源回路基板５０との間の隙間をなくして伝熱性を良好とするために放熱グリースや接着剤などを隙間に介在させるとよい。また、電源回路基板５０上において溝状保持部７１および２４に対応する位置に一部導体パターン５０１を配置して伝熱性を向上することができる。図７は図５の断面方向と直交する方向の電球型照明装置１００の縦断面図である。放熱筺体２の胴部３の内壁には、金具３１をそれぞれ保持する傾斜溝状保持部２５が形成される。同様に樹脂部品７側においても傾斜溝状保持部７２を設けている。金具３１は、プレス成形加工などにより、胴部３の内壁面に内接する曲面形状あるいは平面形状の板材で、アルミニウム合金、銅合金、鉄ニッケル合金、亜鉛鋼板などの金属材である。傾斜溝状保持部７２および２５の傾斜面により放熱筺体２の胴部３に樹脂部品７を取り付ける際に胴部３および樹脂部品７に密着する。板金加工の寸法精度で実現できるので加工コストを抑制することができる。金具３１は電源回路基板５０と同様に発光体８からの熱を樹脂部品７で受けて放熱筺体２へ伝搬する際に熱が金具３１内を経由することで熱伝達性能を向上するという効果を奏する。金具３１と電源回路基板５０との間は所定の絶縁距離をとって絶縁信頼性を確保している。

＜接続＞
図２に示すように、電源回路基板５から発光体８への複数本の出力リード線６は樹脂部品７に設けた貫通穴７０１を通り、発光体８の基板８０に設けた貫通穴８１を通って基板８０の所定のパターンに接続し給電する。

以上の構成から、発光体８の熱が中実の樹脂部品に用いることによって伝熱経路の短絡効果が得られ、放熱筺体２の胴部３の下端より温度境界層が発達している領域に効率よく伝熱することができ、その結果として、樹脂製放熱筺体として手頃な価格の樹脂を採用でき、放熱や構造信頼性に寄与してない不要な形状を省いて無駄を抑えつつ、放熱性能を最大限に引き出すことが可能となる。
軽量で低コストでありながら大光量の電球型照明装置を実現することが可能となる。

＜変形例＞
図８は図２とは異なる電球型照明装置１００の縦断面図である。図９は図８の分解縦断面図である。図９に示すように、発光体８は、一部分に貫通電極（図示せず）を有する略円板状の両面配線基板８２と、両面配線基板８２に設けられるＬＥＤ部品９１と、から構成されている。両面配線基板８２の一方の表面には、ＬＥＤ部品９１に接続される所定のパターンが形成されている。発光素子（図示せず）をパッケージに搭載し蛍光体が混入された樹脂で封止された表面実装タイプの白色発光のＬＥＤ部品９１が両面配線基板８２にはんだ実装される。両面配線基板８２のＬＥＤ部品９１非搭載面側には、電源回路部５１が設けられる。電源回路部５１は、複数の電子部品が基板に実装されたものである。電源回路部５１は、近傍にコンデンサ（図示せず）が設置されている。また、電源回路部５１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。商用電源からの交流電力の入力は、ＪＩＳ規格などで指定されているソケット（図示せず）の受け金（図示）に電球型照明装置１００の口金（図示せず）が締結された際に受け金から口金に入力される。口金と電源回路部５１は入力リード線（図示せず）で接続されており、電源回路に交流電力が入力される。電源回路部５１から発光体８への出力経路（図示せず）は両面配線基板８２に設けた貫通電極（図示せず）を通って両面配線基板８０の発光体８側の所定のパターンに接続し給電する。両面配線基板８２には、ガラスエポキシ基板などの樹脂基板で、多層配線基板を用いて電源回路部５１をコンパクトにすることができる。開口部７３１を有する略筒状の樹脂部品７３を両面配線基板８２の電源回路部５１搭載面側から電源回路部５１が開口部７３１内に収まるように貼り付け固定した後、封止樹脂７３２を充填する。両面配線基板８２と樹脂部品７３の貼り付け固定は接着剤による接着固定でもよいし、熱圧着でもよいし、ネジ止めやリベット止めなどの機械的な固定でもよい。封止樹脂７３２はシリコン系の樹脂やエポキシ系の樹脂などが用いられる。熱伝導率が０．５〜２．０Ｗ／ｍＫの樹脂で、放熱筺体２に組み込んだ後に流動しないのであれば、ゲルレジンなどを用いてもよい。封止樹脂７３２の充填を完了した後、放熱筺体２の胴部２の下端側から樹脂部品７３の外表面が凹部２２に密着するように固定する。固定方法は接着剤による接着固定でもよいし、熱圧着でもよいし、ネジ止めやリベット止めなどの機械的な固定でもよい。封止樹脂７３２および電源回路部５１の電子部品により、中実の樹脂部品と同様の伝熱経路の効果が得られ、放熱筺体２の胴部３の下端より温度境界層が発達している領域に効率よく伝熱することができ、その結果として、樹脂製放熱筺体として手頃な価格の樹脂を採用でき、放熱や構造信頼性に寄与してない不要な形状を省いて無駄を抑えつつ、放熱性能を最大限に引き出すことが可能となる。また、一枚の基板に集約しているため、部品点数が減り、組み立て工程も簡略化される。軽量で低コストでありながら大光量の電球型照明装置を実現することが可能となる。
以上、本発明に係る電球型照明装置について実施形態により説明したが、本発明の実施態様はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。

また、発光体８からの光は白色に限定されるものではなく、発光色の異なるＬＥＤや蛍光体を用いて所望の色に設定可能である。

また、本実施形態では、発光体８がＬＥＤを備える場合について説明したが、発光体８としてＥＬ（Electro-Luminescence）など他の半導体発光素子を用いてもよい。

１００ 電球型照明装置
１ カバー部材
１１ 開口端部
２ 放熱筐体
２１ 凹部
２２ 凹部
２３ 凹部
２４ 溝状保持部
２５ 傾斜溝状保持部
３ 胴部
３１ 金具
４ 口金取り付け部
５ 電源回路基板
５０ 電源回路基板
５０１ 導体パターン
５１ 電源回路部
６ 出力リード線
７ 樹脂部品
７０ 樹脂部品
７０１ 貫通穴
７１ 溝状保持部
７２ 傾斜溝状保持部
７３ 樹脂部品
７３１ 開口部
７３２ 封止樹脂
８ 発光体
８０ 基板
８１ 貫通穴
８２ 両面配線基板
９ ＬＥＤ（半導体素子）
９１ ＬＥＤ部品（半導体素子）
Ｌ 放熱筺体の胴部の高さ方向の長さ
Ｔ 樹脂部品の高さ方向の長さ
ｔ 胴部の厚さ

Claims (3)

1. 樹脂製の筺体と、該筺体に少なくとも一部が覆われる樹脂製で中実の部品と、該中実の部品の一方向側に載置される光源と、を有し、
   前記樹脂は絶縁性の樹脂であり、
   前記中実の部品の高さ方向の長さが前記筺体の放熱面である胴部の高さ方向の長さの１５％以上であることを特徴とする電球型照明装置。
2. 前記中実の部品の他方向側に電源回路基板、または、電源回路を挿入したことを特徴とする請求項１に記載の電球型照明装置。
3. 請求項１又は２に記載の電球型照明装置と、前記電球型照明装置を装着して点灯させる照明器具とを備える照明機器。

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