WO2017168604A1

WO2017168604A1 - 照明装置

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Publication number: WO2017168604A1
Application number: PCT/JP2016/060310
Authority: WO
Inventors: かおり平岩; 内田　浩二; 尊仁清水; 由紀子三島
Original assignee: Iwasaki Electric Co Ltd
Current assignee: Iwasaki Electric Co Ltd
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2018-09-30

Abstract

　照明装置の絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験において印加される試験信号による半導体発光素子の破壊や損傷を防止する。　ＬＥＤ素子４０、及び当該ＬＥＤ素子４０を電気的に保護する第２ツェナーダイオード４１を有したＬＥＤデバイス３２と、当該ＬＥＤデバイス３２が設けられた回路基板３４と、を備えた道路照明器具１において、前記回路基板３４には、前記ＬＥＤデバイス３２に並列接続され、高電圧の試験信号から前記ＬＥＤデバイス３２を保護する第１ツェナーダイオード３６が設けられている構成とした。

Description

照明装置

　本発明は、照明装置に関する。

　従来、発光素子と、保護素子とが１つのパッケージ内に設けられた半導体発光素子が知られている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。保護素子は、静電気などによる過電流から発光素子を保護するための素子である。かかる半導体発光素子が照明装置の光源に用いられることで、静電気に対する耐性を有した照明装置の光源が実現される。

特許第３７６４２５５号公報特許第４６２６２５８号公報

　日本国内で販売される照明器具は全数、日本国内法令である電気用品安全法の規定により、絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験が実施されなければならない。
　しかしながら、絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験における高電圧の試験信号の印加により、半導体発光素子に過大な電気信号が入力され、半導体発光素子が損傷あるいは破壊されることがある。

　本発明は、照明器具の絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験において印加される試験信号による半導体発光素子の破壊や損傷を防止できる照明装置を提供することを目的とする。

　本発明は、発光素子、及び当該発光素子を電気的に保護する保護素子を有した半導体発光素子と、当該半導体発光素子が設けられた回路基板と、を備えた照明装置において、前記回路基板には、前記半導体発光素子に並列接続され、高電圧の試験信号から前記半導体発光素子を保護するツェナーダイオードが設けられていることを特徴とする。

　本発明は、上記照明装置において、前記ツェナーダイオードは、前記発光素子の極性と逆向きに並列接続されていることを特徴とする。

　本発明は、上記照明装置において、前記ツェナーダイオードは、立ち上がり電圧が、前記発光素子の破壊電圧、及び前記保護素子の破壊電圧の絶対値が小さい方の電圧よりも低いことを特徴とする。

　本発明は、上記照明装置において、前記ツェナーダイオードは、降伏電圧が、前記発光素子が発光する電圧よりも高く、かつ前記保護素子の順方向電圧における破壊電圧よりも低いことを特徴とする。

　本発明は、上記照明装置において、前記回路基板は、金属基板、或いはフレキシブル基板であることを特徴とする。

　本発明では、回路基板には、半導体発光素子に並列接続され、高電圧の試験信号から半導体発光素子を保護するツェナーダイオードが設けられているので、試験信号による半導体発光素子の破壊や損傷が防止される。

図１は、本発明の実施形態に係る道路照明器具の斜視図である。図２は、道路照明器具の底面図である。図３は、道路照明器具の分解斜視図である。図４は、ＬＥＤ光源基板ユニットの平面図である。図５は、ＬＥＤデバイス、及び第１ツェナーダイオードの回路図である。図６は、第１ツェナーダイオード、及びＬＥＤデバイスの電圧電流特性を模式的に示す図である。

　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
　本実施形態では、照明装置の一例として道路照明器具を例示する。
　図１は本実施形態に係る道路照明器具１の斜視図であり、図２は道路照明器具１の底面図である。図３は道路照明器具１の分解斜視図である。
　道路照明器具１は、道路に立設された支柱などに取り付けられ、道路の路面を照明する装置であり、図１～図３に示すように、器具本体１０と、底面カバー１１と、レンズ付カバー１２と、を備える。

　器具本体１０は、熱伝導性、及び耐食性に優れた材料を用いたダイキャスト成型（例えばアルミダイキャスト）によって形成され、図３に示すように、底面の略全面が開放した形状に形成されている。器具本体１０の中には、先端１０Ａの側に、後述する光源収容部１５が形成されている。
　底面カバー１１、及びレンズ付カバー１２は、器具本体１０の底面に取り付けられ、この底面の開放部を閉塞する部材である。レンズ付カバー１２は光源収容部１５を覆う位置に取り付けられ、器具本体１０の先端１０Ａの側を覆っている。また底面カバー１１は、レンズ付カバー１２から器具本体１０の後端１０Ｂの側を覆っている。

　底面カバー１１は、器具本体１０と同様に、熱伝導性、及び耐食性に優れた材料によって形成されている。また底面カバー１１は、器具本体１０に固定されるヒンジ部品１７と、このヒンジ部品１７にヒンジ結合された扉板１９とを備え、扉板１９がヒンジ結合部分を支点に下方に回動して開く。扉板１９は、器具本体１０の後端１０Ｂの側で器具本体１０に回動不能にネジ止めされており、メンテナンス作業時にはネジが取り外されて開放される。

　レンズ付カバー１２は、光を透過する材料（例えば樹脂材）で形成され、透過光の配光を制御する多数のレンズ２１が一体に形成されている。

　器具本体１０の内部には、図３に示すように、底面カバー１１で覆われる位置に電源ボックス２３が配置されており、また光源収容部１５には、道路照明器具１の光源であるＬＥＤ光源基板ユニット３０が設けられている。
　電源ボックス２３には、ＬＥＤ光源基板ユニット３０に電力を供給する電源回路や、ＬＥＤデバイス３２の点滅、調光を制御する各種の電気回路基板が収められている。この道路照明器具１は、周囲の明るさを検出する照度センサ用のソケット２５が器具本体１０の上面に設けられており、道路照明器具１は、この照度センサ用のソケット２５に取り付けた照度センサの検出結果に応じて点灯、消灯を行う。

　光源収容部１５は、図３に示すように、器具本体１０の内部に底面視略矩形の領域を区画する枠体２６と、この枠体２６で囲まれた領域内に設けられた台座部２７とを備えている。台座部２７は、ＬＥＤ光源基板ユニット３０が取り付けられる台座であり、器具本体１０に一体に形成されている。ＬＥＤ光源基板ユニット３０の発熱は、台座部２７から器具本体１０に伝わり、例えば器具本体１０の外表面などから放熱される。

　図４は、ＬＥＤ光源基板ユニット３０の平面図である。
　ＬＥＤ光源基板ユニット３０は、回路基板３４を備え、この回路基板３４には、半導体発光素子の一例たる複数のＬＥＤデバイス３２と、複数の第１ツェナーダイオード３６とが実装されている。また、回路基板３４には、電源ラインの正極、及び負極が接続される給電部３９、３９が設けられている。
　回路基板３４は、高熱伝導性を有する例えばアルミニウム等の金属基板である。この回路基板３４が、器具本体１０の台座部２７に直接取り付けられることで、ＬＥＤデバイス３２の発熱が台座部２７に効率良く伝わり、高い放熱性能が得られる。
　回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａは、その表面の全体が薄い厚みの絶縁層で覆われている。

　図５は、ＬＥＤデバイス３２、及び第１ツェナーダイオード３６の回路図である。
　同図に示すように、ＬＥＤデバイス３２は、発光素子の一例たるＬＥＤ素子４０と、第２ツェナーダイオード４１と、を有し、これらがパッケージ化された１つの電子部品である。第２ツェナーダイオード４１は、静電気からＬＥＤ素子４０を保護する保護素子であり、ＬＥＤデバイス３２の内部でＬＥＤ素子４０に体して逆並列に電気的に接続されている。一般に静電気保護用の第２ツェナーダイオード４１は、応答速度が速く容量が小さい。
　なお、静電気からＬＥＤ素子４０を保護する素子であれば、第２ツェナーダイオード４１の代わりに、任意の素子を用いることができる。すなわち、保護素子には、ＬＥＤ素子４０に印加される得る逆方向電圧を短絡したり、ＬＥＤ素子４０の動作電圧より高い所定の電圧以上の順方向電圧をショートさせ得る素子が用いられる。このような素子には、例えばツェナーダイオードの他に、トランジスタのダイオード接続、ＭＯＳＦＥＴのゲートと、ソースまたはドレインとを短絡した素子、または、これらの複合素子、ＩＣなどが挙げられる。

　第１ツェナーダイオード３６は、絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験において印加される高電圧の試験信号からＬＥＤデバイス３２を保護する保護素子であり、回路基板３４において、ＬＥＤデバイス３２の極性と逆向き、すなわち逆並列に電気的に接続されている。

　図６は、第１ツェナーダイオード３６、及びＬＥＤデバイス３２の電圧電流特性を模式的に示す図である。同図において、横軸が電圧Ｖを示し、縦軸が電流Ｉを示す。
　第１ツェナーダイオード３６は、ＬＥＤデバイス３２に逆方向電圧を印加していくと立ち上がり電圧Ｖｔｈｄｉｏｄｅを境にして低インピーダンスとなり電流Ｉが急激に流れる特性を有する。
　立ち上がり電圧Ｖｔｈｄｉｏｄｅは、図６に示すように、ＬＥＤデバイス３２の逆方向電圧において、ＬＥＤ素子４０の破壊電圧Ｖａと第２ツェナーダイオード４１の破壊電圧Ｖｂとの絶対値が小さい方の電圧（図示例では、破壊電圧Ｖａ）よりも低い値に設定されている。なお、破壊電圧とは、過度な電流が流れて素子の永久的な損傷や破壊を生じさせる電圧であり、少なくとも損傷や破壊を生じさせないように設定された定格電圧を超えた電圧である。

　これにより、絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験において高電圧の試験信号が道路照明器具１に印加され、ＬＥＤ光源基板ユニット３０の回路基板３４に逆方向電圧が印可された場合でも、ＬＥＤ素子４０、及び第２ツェナーダイオード４１に破壊電圧Ｖａ、Ｖｂが印加される前に第１ツェナーダイオード３６に電流が流れる。したがって、ＬＥＤデバイス３２内部への電気的負荷が低減され、これらＬＥＤ素子４０、及び第２ツェナーダイオード４１の破壊や損傷が防止される。

　さらに第１ツェナーダイオード３６は、ＬＥＤデバイス３２の順方向電圧において降伏電圧Ｖｃを有する。降伏電圧Ｖｃは、ＬＥＤ素子４０が発光する立ち上がり電圧Ｖｔｈｌｅｄよりも高く、かつ、第２ツェナーダイオード４１の順方向電圧における破壊電圧Ｖｂ’よりも低く設定されている。
　これにより、道路照明器具１の通常使用時などにおいて、正常な電力が道路照明器具１に供給され、ＬＥＤ光源基板ユニット３０の回路基板３４に順方向電圧の定格の電圧が印加されたときには、第１ツェナーダイオード３６に阻害されることなくＬＥＤ素子４０に電流が流れて発光し、かつ、第１ツェナーダイオード３６が過剰な順方向電圧からＬＥＤ素子４０および第２ツェナーダイオード４１を保護することができる。

　この第１ツェナーダイオード３６には、試験信号による自身の破壊が防止できる程度に容量が高いダイオードが選定されており、ＬＥＤ素子４０および第２ツェナーダイオード４１の保護の信頼性が高められている。
　また、この第１ツェナーダイオード３６には、逆方向電圧の電圧印加に対して所定の耐圧が得られるほどに逆方向漏れ電流が低く、かつ、耐圧に対して所定の強度が得られるほどに、ＥＳＤ（Electrostatic Discharge）耐圧レベルが高いダイオードが用いられている。
　これに加え、この第１ツェナーダイオード３６は、試験信号の最大周波数以上の応答周波数を有しており、試験信号の全周波数帯域でＬＥＤデバイス３２を保護している。

　ところで、このＬＥＤ光源基板ユニット３０は、金属製の回路基板３４を備えることで放熱性が高められている。
　絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験においては、道路照明器具１の電源ラインと器具本体１０の間に高電圧の交流電圧が試験信号として印加される。試験信号の印加により、ＬＥＤ光源基板ユニット３０には、ＬＥＤ光源基板ユニット３０の給電部３９（図４）と、当該ＬＥＤ光源基板ユニット３０が取り付けられる器具本体１０の部位である台座部２７の間に電圧（以下、「ユニット器具間電圧」という）が生じる。試験信号の電圧とユニット器具間電圧との関係は、器具本体１０の構造や電源ライン（電源回路などの電気回路を含む）の回路構成などに依存し、定量的に考えることは難しい。

　しかしながら、ユニット器具間電圧が同じであり、なおかつ、回路基板３４の配線パターンが同じである場合、回路基板３４が金属素材の基板である方が樹脂素材の基板よりもＬＥＤデバイス３２にかかる電気的な負荷が大きくなる。

　詳述すると、道路照明器具１などの屋外照明器具に用いられる一般的な回路基板３４の厚さは０．５（ｍｍ）～３（ｍｍ）程度である。
　回路基板３４が樹脂基板とした場合、ユニット器具間電圧は回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａ（図４）の側に設けられた給電部３９および電気的に接続されたＬＥＤ実装面３４Ａ上の配線と、器具本体１０の台座部２７と接している回路基板３４の反対側の面との間に印加され、その間隔はほぼ回路基板３４の厚さに等しい。
　一方、回路基板３４がアルミ基板などの金属基板の場合、器具本体１０の台座部２７と、回路基板３４とは導通しているため、ユニット器具間電圧は回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａの側に設けられた給電部３９および電気的に接続されたＬＥＤ実装面３４Ａ上の配線と、回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａの側の表面に施された絶縁層を挟んで回路基板３４の金属部との間に印加される。絶縁層の厚みは、通常、０．０３５（ｍｍ）～０．１２（ｍｍ）程度である。
　このため、回路基板３４が金属基板である場合、樹脂基板より大きな浮遊容量（寄生容量）が生じ、大きな電荷の移動を招くので、交流電圧である試験信号の印加にしたがって極性が変わる大きな電圧がＬＥＤデバイス３２に加わることになる。

　本実施形態では、上記第１ツェナーダイオード３６が回路基板３４に設けられているので、樹脂基板の場合よりも試験信号の印加によって大きな電圧がＬＥＤデバイス３２に加わる金属基板で回路基板３４を構成していても、ＬＥＤデバイス３２を十分に保護することができ、なおかつ、高い放熱性能が得られている。

　次いで回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａのレイアウト構造について説明する。
　前掲図４に示すように、回路基板３４には、正極、及び負極の給電部３９の間に、ＬＥＤデバイス３２が電気的に直列に接続されて実装されている。これらのＬＥＤデバイス３２は、回路基板３４の面内に環状に配置され、これらのＬＥＤデバイス３２に囲まれた範囲Ｓの内側に、第１ツェナーダイオード３６のそれぞれが配置されている。
　ＬＥＤデバイス３２に囲まれた範囲Ｓの内側に第１ツェナーダイオード３６が配置されるので、回路基板３４の大型化が防がれる。

　第１ツェナーダイオード３６の各々は回路基板３４の略中央部の側に配置されており、これら第１ツェナーダイオード３６の外側にＬＥＤデバイス３２が配置されている。
　また、回路基板３４のＬＥＤ実装面３４Ａには、ＬＥＤデバイス３２と、第１ツェナーダイオード３６との間の領域に、給電部３９、３９とは電気的に接続されておらず、かつ配線パターンと同一素材で形成された面状パターン部４２（図示中、斜線箇所）が形成されている。
　これにより、ＬＥＤデバイス３２の各々の発熱は、回路基板３４の中央部よりも外側へ面状パターン部４２に誘導されて放熱されるので、ＬＥＤデバイス３２から第１ツェナーダイオード３６への熱伝達が抑えられ、第１ツェナーダイオード３６がＬＥＤデバイス３２の発熱から保護される。

　回路基板３４には器具本体１０にネジ止めするためのネジ止め固定用孔４４が設けられている。このネジ止め固定用孔４４に通されるネジを高熱伝導材とすることで、回路基板３４の中央部から器具本体１０への放熱性を高めることもできる。

　以上説明したように、本実施形態の回路基板３４には、ＬＥＤデバイス３２に並列接続され、高電圧の試験信号からＬＥＤデバイス３２を保護する第１ツェナーダイオード３６が設けられているので、絶縁耐圧試験ならびに耐電圧試験において印加される試験信号によるＬＥＤデバイス３２の破壊や損傷が防止される。

　また本実施形態では、第１ツェナーダイオード３６は、発光素子の極性と逆向きに並列接続されており、立ち上がり電圧Ｖｔｈｄｉｏｄｅが、ＬＥＤ素子４０の破壊電圧Ｖａ、及び第２ツェナーダイオード４１の破壊電圧Ｖｂの絶対値が小さい方の電圧よりも低くなっている。
　これにより、高電圧の試験信号によりＬＥＤ光源基板ユニット３０の回路基板３４に逆方向電圧が印可された場合でも、ＬＥＤ素子４０、及び第２ツェナーダイオード４１に破壊電圧Ｖａ、Ｖｂが印加される前に第１ツェナーダイオード３６に電流が流れる。したがって、ＬＥＤデバイス３２内部への電気的負荷が低減され、これらＬＥＤ素子４０、及び第２ツェナーダイオード４１の破壊や損傷が防止される。

　また本実施形態では、第１ツェナーダイオード３６は、順方向電圧における降伏電圧Ｖｃが、ＬＥＤ素子４０が発光する立ち上がり電圧Ｖｔｈｌｅｄよりも高く、かつ第２ツェナーダイオード４１の順方向電圧における破壊電圧Ｖｂ’よりも低くなっている。
　これにより、道路照明器具１の通常使用時などにおいて、ＬＥＤ光源基板ユニット３０の回路基板３４に順方向電圧の定格の電圧が印加されたときには、第１ツェナーダイオード３６に阻害されることなくＬＥＤ素子４０に電流が流れて発光し、かつ、第１ツェナーダイオード３６が過剰な順方向電圧からＬＥＤ素子４０および第２ツェナーダイオード４１を保護することができる。ＬＥＤ素子４０だけでなく第２ツェナーダイオード４１も保護できるので、耐電圧試験後も静電気などによる過電流に対する耐性を維持できる。

　また本実施形態では、回路基板３４が金属基板であるので、上記第１ツェナーダイオード３６によりＬＥＤデバイス３２を十分に保護、なおかつ、高い放熱性能が得られる。

　なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。

　上述した実施形態において、回路基板３４を金属基板により構成した場合を例示したが、回路基板３４をフレキシブル基板によって構成してもよい。フレキシブル基板から成る回路基板３４は、器具本体１０の台座部２７に直接取り付けられてもよいし、台座部２７との間に絶縁フィルムなどの絶縁層を挟んで取り付けられてもよい。いずれの取付態様においても、台座部２７との接触面から回路基板３４の給電部３９、３９までの厚みは樹脂基板に比較して薄い。
　このように厚みが薄くなると、樹脂基板より大きな浮遊容量（寄生容量）が生じ、大きな電荷の移動を招く。したがって、回路基板３４がフレキシブル基板であると、樹脂基板に比べ、交流電圧である試験信号の印加にしたがって極性が変わる大きな電圧がＬＥＤデバイス３２にかかる。
　そして、回路基板３４に、上記第１ツェナーダイオード３６が設けられることで、このような大きな電圧からＬＥＤデバイス３２を十分に保護できるのである。

　また上述した実施形態において、ＬＥＤ素子４０に代えて、有機ＥＬなどの任意の発光素子が用いられる。

　また上述した実施形態において、回路基板３４には、ＬＥＤデバイス３２に並列接続され、高電圧の試験信号からＬＥＤデバイス３２を保護する第１ツェナーダイオード３６と併せて、当該第１ツェナーダイオード３６と同様に高電圧の試験信号からＬＥＤデバイス３２を保護するコンデンサやバリスタ、抵抗などの１又は複数の他の素子が設けられてもよい。

　また本発明の照明装置は、上述した道路照明器具１に限らない。すなわち、発光素子、及び当該発光素子を電気的に保護する保護素子を有した半導体発光素子と、当該半導体発光素子が設けられた回路基板と、を備え、発光素子の発光によって照明する照明装置であれば、本発明は、屋外、或いは屋内で用いられる照明器具、或いはＬＥＤランプなどのランプ装置といった任意の照明装置に適用できる。

　１　道路照明器具（照明装置）
　１０　器具本体
　１５　光源収容部
　２７　台座部
　３０　ＬＥＤ光源基板ユニット
　３２　ＬＥＤデバイス（半導体発光素子）
　３４　回路基板
　３４Ａ　ＬＥＤ実装面
　３６　第１ツェナーダイオード（ツェナーダイオード）
　３９　給電部
　４０　ＬＥＤ素子（発光素子）
　４１　第２ツェナーダイオード（保護素子）
　４２　面状パターン部
　４４　孔
　Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｂ’　破壊電圧
　Ｖｃ　降伏電圧
　Ｖｔｈｄｉｏｄｅ　ツェナーダイオードの立ち上がり電圧
　Ｖｔｈｌｅｄ　ＬＥＤ素子の立ち上がり電圧

Claims

　発光素子、及び当該発光素子を電気的に保護する保護素子を有した半導体発光素子と、当該半導体発光素子が設けられた回路基板と、を備えた照明装置において、
　前記回路基板には、
　前記半導体発光素子に並列接続され、高電圧の試験信号から前記半導体発光素子を保護するツェナーダイオードが設けられている
　ことを特徴とする照明装置。
　前記ツェナーダイオードは、前記発光素子の極性と逆向きに並列接続されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
　前記ツェナーダイオードは、
　立ち上がり電圧が、前記発光素子の破壊電圧、及び前記保護素子の破壊電圧の絶対値が小さい方の電圧よりも低い
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
　前記ツェナーダイオードは、
　降伏電圧が、前記発光素子が発光する電圧よりも高く、かつ前記保護素子の順方向電圧における破壊電圧よりも低い
　ことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の照明装置。
　前記回路基板は、金属基板、或いはフレキシブル基板である
　ことを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の照明装置。