JP4360899B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は放電灯点灯装置とこれを用いた照明器具に関するものである。

従来のインバータ点灯装置においても特開平８−３２９７３１号公報にあるように、電気機器に搭載されるフィルムコンデンサは発熱部品から発生する熱により熱劣化を起こし、寿命が短くなったり、性能が変化するため、構造上、発熱部品の影響を受けないようにハイブリッドＩＣの外郭などで熱遮蔽したり、回路部品の配置を工夫し、発熱部品からの影響を低減するように設計されてきた。

放電灯点灯装置においても、やはり長期にわたる使用を考慮し、熱影響を少なくするように回路部品の配置を検討したり、また耐熱性の高いポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたフィルムコンデンサを使用してきた。
特開平８−３２９７３１号公報 特開平１０−１５６９３９号公報 特開平１０−１１９１２６号公報 特開平５−２１７７９９号公報

しかしながら、ポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたコンデンサは、初期の絶縁破壊に対しては、セルフヒーリングにより欠陥部が除去されるが、コンデンサの寿命末期時には絶縁破壊等による発熱によりフィルムの溶融や短絡に至る可能性が高く、問題があった。

この問題を解決するために、寿命末期の発熱でフィルムが収縮するポリプロピレンフィルムを用いたコンデンサを使用した場合、ポリエチレンテレフタレートフィルムを用いたコンデンサよりも収縮温度が低いため、熱影響を受けやすい問題があった。

また、近年、地球環境への負荷を軽減するために、回路基板の半田の成分に鉛（Ｐｂ）を含まない無鉛化が促進されている。このため、半田の成分として高融点の材料を多く用いることにより、半田前のプリヒート温度や半田ディップ温度が上昇し、半田実装時にも、熱影響を受けるようになり、ポリプロピレンフィルムコンデンサの使用がさらに困難となってきた。また、耐熱温度の高いＰＰＳフィルムを用いたコンデンサは、フィルムの絶縁耐圧の高いものが無く、コスト的にも高くなる問題がある。

本発明はこのような問題に対して信頼性が高く、低コストで環境負荷の少ない安全な放電灯点灯装置を提供することを課題とするものである。

本発明が解決しようとする課題であるコストと安全性を満たすには、前述のポリプロピレンフィルムコンデンサを用いればよい。しかしながら、半田時の温度や熱の影響に対しての対策が必要である。

図１と図２にフィルムコンデンサの半田付け時の温度プロファイルとコンデンサの各部位の温度上昇を示す。図１はリード線としてＦｅ線を用いた場合、図２はＣｕ線を用いた場合である。図１と図２の実験に用いたフィルムコンデンサの熱電対の取り付け位置を図３に示す。図３において、１はフィルムコンデンサ本体、２はリード線である。また、ａ，ｂ，ｃは熱電対取り付け位置であり、図１及び図２の特性ａ，ｂ，ｃに対応している。

本実験では１２０℃、９０秒のプリヒート後、３秒あけて２６０℃の半田槽に７秒間フィルムコンデンサをディップした時の温度プロファイルを示す。リード線としてＣｕ線を用いた場合には、図２に示すように、フィルムコンデンサの端子部分は１５０℃近くまで温度上昇している。一般にポリプロピレンフィルムコンデンサの最高許容温度（定格低減使用時）は１０５℃であるため、１５０℃でのフィルムコンデンサのポリプロピレンフィルムは既に熱収縮が大きく、この状態でも既にコンデンサの容量が減少しているが、使用を続けるとさらに、容量が減少してくる。そのメカニズムをメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサで以下に説明する。

図４及び図５にフィルムコンデンサの構造例を示す。図４（ａ）は外観を示す斜視図、図４（ｂ）は内部構造を示す斜視図である。また、図５は内部構造を示す断面図である。フィルムコンデンサ１は２枚のメタライズドフィルムを巻回した後、メタリコン５を吹き付けて電極を形成し、リード線２を付けることで構成されている。使用されているフィルム３はポリプロピレンで、熱収縮性が大きい。メタリコン５からフィルム３の蒸着金属４を通じて相反する蒸着金属４との間で、誘電体フィルム３を介してコンデンサを形成する。コンデンサの抵抗成分はリード線２とメタリコン５、メタリコン５とフィルム３、蒸着金属４の抵抗でほぼ構成され、代用特性としてｔａｎδで表現される。メタリコンとフィルムの間の抵抗値はメタリコンがフィルムに物理的に吹き付けられているため、不安定になりやすい。

コンデンサの半田付け温度が高いとポリプロピレンフィルムが収縮し、フィルムとメタリコンの食いつきが悪くなり、接触抵抗が上がる。この状態で、電流を通電すると接触抵抗が上がった部分は発熱を始める。この熱が長時間１０５℃を越えるとポリプロピレンフィルムの熱収縮が大きくなり、メタリコンとフィルムの食いつきがさらに悪くなり、抵抗値が上がり、収縮が加速される。これにより、コンデンサを形成する蒸着金属を通じて、相反する蒸着金属との間で、誘電体フィルムを介して形成されるコンデンサ部の面積が減少するため、容量減少が発生する。

そこで、本発明にあっては、半田付けの際にコンデンサに加わる温度を低減することにより、無鉛半田でのポリプロピレンフィルムコンデンサの半田熱による容量抜けを防止し、信頼性を向上した低コストで環境負荷の少ない安全な放電灯点灯装置を提供しようとするものであり、複数のフィルムコンデンサを無鉛フロー半田で基板に実装する構造を有する電子点灯回路を用いた放電灯点灯装置において、フィルムコンデンサはポリプロピレンフィルムコンデンサであり、リード線は銅よりも熱伝導率の低い材質で無鉛半田メッキし、前記コンデンサの端子およびコンデンサ内部が無鉛であることを特徴とするものである。

本発明によれば、半田時にコンデンサに加わる温度の低減を図ることにより、無鉛半田でのポリプロピレンフィルムコンデンサの半田熱による容量抜けを防止し、信頼性を向上した低コストで環境負荷の少ない安全な放電灯点灯装置を提供することが出来る。

（実施形態１）
図１に実施形態１の実験結果を示す。図１は図３〜図５に示したフィルムコンデンサの端子（リード線）材質を銅線（Ｃｕ）から鋼線（Ｆｅ）に変更したコンデンサの温度プロファイルを示す。図２（従来例）での端子付根部の温度は１５０℃になったが、リード線を銅線（Ｃｕ）から鋼線（Ｆｅ）に変えることにより１２０℃に下げることが出来た。これは、銅線（Ｃｕ）よりも鋼線（Ｆｅ）が熱伝導率が低いためであり、Ｃｕが３９５Ｗ／ｍ・Ｋに対してＦｅは７２Ｗ／ｍ・Ｋであり、ＦｅがＣｕに対して約１／５となり、半田からの熱伝導を抑えることが出来る。このように、リード線として、銅よりも熱伝導率の低い材質を用いることにより、半田熱の影響を受けにくいためにポリプロピレンフィルムコンデンサで回路を構成することが出来、これらのリード線もやはり無鉛化したメッキを施して使用することで、低コストで環境負荷の少ない安全な放電灯点灯装置を供給することができるものである。

（実施形態２）
実施形態１ではリード線材質をＣｕからＦｅに変えることにより、熱伝導率を悪くしたが、リード線径を細くすることにより、さらに、半田時の熱影響を軽減できる。一般に０．８φのＣｕ線が使われているが、０．６φの鋼線（Ｆｅ）を使用することにより、コンデンサの端子付根部の温度をさらに下げることが可能になる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３は、前記コンデンサのフィルムに高耐熱ポリプロピレンフィルムを使用することを特徴とする。従来、フィルムコンデンサのフル定格での最高使用温度は８５℃であったが、特開平１０−１５６９３９号公報によれば、東レ株式会社らにより、高温での熱収縮を抑え、従来よりも最高使用温度を向上させることが可能な、ポリプロピレンフィルム（高耐熱ポリプロピレンフィルム）や同フィルムを用いたコンデンサが提案されている。また、特開平１０−１１９１２６号公報には最高使用温度を２０℃向上させることが可能な、ポリプロピレンフィルム、特開平５−２１７７９９号公報にはメタライズドコンデンサが提案されている。このような高耐熱ポリプロピレンフィルムを使用することにより、コンデンサ使用温度を上昇させることが出来るばかりでなく、実施形態１で述べたコンデンサの端子付根部の温度が高くても半田時の熱影響を少なくすることが出来る。

表１はコンデンサフィルムの違いによるコンデンサの端子付根部の温度の違いを示したものである。高耐熱ポリプロピレンフィルムを使用することにより、従来から２０℃向上した耐熱性が期待できるため、半田時にはコンデンサの端子付根部の温度は、短期の温度上昇であるため、約１２５℃〜１３０℃までの温度上昇に対する耐熱性を考慮すればよい。

図６はコンデンサ断面積（コンデンサの片側の端子付根部のメタリコンもしくは電極面積）によるリード線がＣｕ線（銅線）時とＣＰ線（銅覆鋼線）時のコンデンサの端子付根部の温度を示したものである。リード線の材質を変えるだけでは十分に温度が下がらず、実線の１０５℃を上回る場合があるが、高耐熱ポリプロピレンフィルムを使用することにより、コンデンサ端子付根部の温度が下がらない領域についても、破線の１２５℃は下回るようにすることができ、充分に半田耐熱を確保することができる。

（実施形態４）
図７に実施形態４を示す。図７はコンデンサの基板搭載図である。図のようにコンデンサのリード線の剥き出し部を２ｍｍ以上確保することにより、半田時のコンデンサの端子付根部の温度上昇は３℃以上低減できる。図７（ａ）ではフィルムコンデンサ１と基板６の間が２ｍｍ以上空いており、この間の熱勾配により半田時の端子付根部の温度上昇を低減できる。図７（ｂ）では、２ｍｍ以上のリード線が斜めに延びるように実装されており、この間の熱勾配により半田時の端子付根部の温度上昇を低減できる。図７（ｃ）では、２ｍｍ以上のリード線がクランク状に折れ曲がって実装されており、この間の熱勾配により半田時の端子付根部の温度上昇を低減できる。

（実施形態５）
図８に実施形態５を示す。図８は一般的な放電灯点灯装置の主回路図である。点灯装置は交流電源ＡＣをダイオードブリッジＤＢにより整流した後、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｓ３、ダイオードＤ１を含むチョッパ回路で平滑昇圧し、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のインバータ回路にて高周波化し、インダクタＬ２とコンデンサＣ５の共振回路で放電灯ＦＬを点灯させるものである。インバータ制御部７はスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を交互にオン・オフさせる。

Ｃ１、Ｃ２はフィルター用コンデンサで一般的にはポリエチレンテレフタレートフィルムコンデンサが使用されるが、ここでは耐熱性を高めたメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサを使用する。Ｃ３，Ｃｅは平滑用コンデンサでこれに対しても同様に高耐熱のメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサを使用する。Ｃ４は直流成分カット用コンデンサでこれもメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサを使用する。Ｃ５は共振用コンデンサである。これについては電圧が高くなるため、アルミ箔とポリプロピレンフィルムを組み合わせた構造のコンデンサやメタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサを使用する。アルミ箔とポリプロピレンフィルムを組み合わせた構造のコンデンサであってもメタライズドフィルムコンデンサと同様、ポリプロピレンフィルムを使用しているので、高耐熱ポリプロピレンフィルムの使用やリード線径、材質、長さを適切に選定することにより、コンデンサの端子付根部の温度を１３０℃以下にすることで、半田時の熱による容量抜けなど、信頼性の低下を防ぐことが出来る。

このような放電灯点灯装置は、オフィスや一般家庭の照明器具に内蔵して信頼性の高い照明器具として利用できる。また、このような照明器具を複数組み合わせて信頼性の高い照明システムを構築することができる。

本発明の放電灯点灯装置に用いるコンデンサの耐熱特性を示す説明図である。 従来の放電灯点灯装置に用いるコンデンサの耐熱特性を示す説明図である。 フィルムコンデンサの熱電対の取り付け位置を示す説明図である。 フィルムコンデンサの外観と内部構造を示す斜視図である。 フィルムコンデンサの内部構造を示す断面図である。 コンデンサの断面積と端子付根部の温度の関係を示す説明図である。 本発明の放電灯点灯装置に用いるコンデンサの実装構造を示す説明図である。 本発明の放電灯点灯装置の回路構成の一例を示す回路図である。

符号の説明

１ フィルムコンデンサ
２ リード線
３ 誘電体フィルム
４ 金属蒸着膜
５ メタリコン
６ 実装基板
７ インバータ制御部

Claims (8)

1. 複数のフィルムコンデンサを無鉛フロー半田で基板に実装する構造を有する電子点灯回路を用いた放電灯点灯装置において、フィルムコンデンサはポリプロピレンフィルムコンデンサであり、リード線は銅よりも熱伝導率の低い材質で無鉛半田メッキし、前記コンデンサの端子およびコンデンサ内部が無鉛であることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記コンデンサのリード線径は０．６φ以下であることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 前記フィルムコンデンサの断面積が３５ｍｍ² 以下であり、コンデンサ内部のリード線終端部の温度が１３０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
4. 前記フィルムコンデンサは基板上の半田実装部までのリード線の長さが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
5. 前記フィルムコンデンサはポリプロピレンフィルムとアルミ箔の組み合わせで構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
6. 前記フィルムコンデンサはアルミ蒸着ポリプロピレンフィルムで構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の放電灯点灯装置を内蔵することを特徴とする照明器具。
8. 請求項７に記載の照明器具を複数組み合わせたことを特徴とする照明システム。

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