LED作業灯が早期に故障するとき、LEDそのものが最初に壊れることはまれです。壊れるのは、LEDを取り巻く灯具の部分です。逃がしきれない熱、亀裂の入るはんだ接合部、逆に配線された作業灯、黄色く変色するレンズ。いずれも多くの場合、作業灯を安く作った箇所にさかのぼります。
本記事では、そうした7つの箇所について、使用中にそれぞれ何が起きるのか、そして当社がその可能性を下げるためにどのように作業灯を作っているのかを順に説明します。これらの選択は仕様書にも写真にもほとんど現れないため、サプライヤーを比較するエンジニアや購買担当者の方に向けて書いています。
LED作業灯の寿命を熱が左右する理由
LEDは電力の一部を光に変え、残りの大半をジャンクション、つまりチップ内部で光が生まれる接合部で熱に変えます。米国エネルギー省ははっきりと述べています。ジャンクションの熱は光束劣化の主因であり、短時間の高温であれば元に戻り得るものの、高温での連続動作は光出力の恒久的な低下を招きます。
その熱はLEDから回路基板を通り、熱伝導材（TIM）の層を経てハウジングに入り、ハウジングから空気へ放出されます。以下に挙げる7つのコスト削減のうち3つは、この経路上にあります。いずれも熱の流れに抵抗を加えるため、LEDは設計以上の温度で動作し、早く暗くなり、灯具内で条件の最も悪い位置では焼損します。
1. ハウジング：マグネシウム合金と薄すぎる肉厚
作業灯のハウジングは、ヒートシンクも兼ねています。アルミダイカスト合金A380の熱伝導率は96 W/m·Kです。ダイカストで最も多く使われる2種類のマグネシウム合金は、公開されている合金データによれば、これよりかなり低く、AZ91Dが51 W/m·K、AM60Bが61です。マグネシウムは約3分の1軽く、薄肉で鋳造できるため材料コストは下がりますが、これらの合金のハウジングは、同じ形状のアルミ製に比べてLEDから熱を運ぶ速度が遅くなります。ここでは合金の選定が重要です。AM20（94 W/m·K）のように、アルミに近い性能のマグネシウム合金もあるため、グレードを名指しで確認する価値があります。
| 合金 | 種類 | 熱伝導率（W/m·K） | 密度（g/cm³） |
|---|---|---|---|
| A380 | アルミダイカスト | 96 | 2.74 |
| AM60B | マグネシウムダイカスト | 61 | 1.80 |
| AZ91D | マグネシウムダイカスト | 51 | 1.81 |
肉厚も同じように効きます。ベースやフィンが薄いと熱を広げる金属の量が減り、各LEDの直下の温度が上がります。
当社の設計・製造：当社のハウジングはヒートシンクを一体鋳造したアルミダイカスト合金製です。ハウジングは複数のワット数で共用せず、型式ごとの電力に合わせてサイズを決めています。
2. 回路基板：薄すぎる基板と弱い絶縁層
LED作業灯は、LEDを金属ベース基板に実装します。薄い銅の回路、絶縁層、アルミベース層からなる基板です。ボトルネックは絶縁層です。Creeの基板設計ガイドは、この層の熱伝導率が約2 W/m·Kを下回ると熱性能が急激に落ちると指摘しており、同じ材料でも標準の試験方法では2.2 W/m·K、非標準の方法では30以上と記載され得ることを示しています。基板データシートの数値は、測定方法が分かって初めて比較できます。
アルミベース層が薄いと、熱がハウジングに届く前に広がりにくくなり、LEDの直下に熱が集中します。
当社の設計・製造：基板とその厚さは、最も安い基板価格ではなく、型式ごとの電力に合わせて選んでいます。
3. 放熱グリス：塗りむら、または不適切なグレード
基板とハウジングの間には、どちらの面がどれほど平らに見えても、必ずすき間があります。そのすき間の空気の熱伝導率は約0.024 W/m·Kしかないため、通常はペーストやパッドなどの熱伝導材で埋めます。熱伝導材の熱伝導率はおおよそ0.1〜10 W/m·Kです。Creeの熱設計ガイドはこの原則を「thin to win（薄いほど有利）」とまとめています。層は薄く、均一で、すき間なく形成されていなければなりません。厚すぎれば熱抵抗が増え、塗り残しには空気が残ります。材料によっては加熱と冷却を繰り返すうちに接合面から押し出され（ポンプアウト）、空洞（ボイド）が残ります。
手作業で塗布したグリスや、熱伝導率の低い安価なコンパウンドは、まさにこうした不具合を生みます。作業灯は工場での短時間の検査には合格しても、現場では高温で動作することになります。
当社の設計・製造：グリスは基板全体に均一な層で塗布し、コンパウンドは価格ではなく熱伝導率で選んでいます。
4. はんだ付け：不十分なリフロー管理
LEDとドライバーの部品は、設定された温度プロファイルに従うリフロー炉ではんだ付けされます。ピーク温度が低すぎたり、はんだが溶融している時間が短すぎたりすると、見た目は健全で導通もするものの強度の弱い冷はんだ（コールドジョイント）になります。車両では、その接合部に2種類の応力がかかります。暖機と冷却のたびにはんだを少しずつ疲労させる温度サイクルと、弱った接合部に亀裂が入るまで基板をたわませる振動です。作業灯はちらつき始め、やがて消灯します。多くの場合、症状は機械の稼働中にだけ現れます。
当社の設計・製造：当社のSMTラインは管理されたリフロープロファイルで稼働しています。各設計は量産前に、自社の振動試験台でお客様の振動条件に合わせた試験を行い、冷熱衝撃サイクル試験も実施します。出荷前には全数に通電し、12 Vと24 Vの入力を交互に切り替えるエージング試験を行います。振動定格の表記方法については、振動定格をご覧ください。
5. 逆接続：リード線を逆につないだときの保護がない
作業灯は現場で配線されることが多く、2本のリード線がどちらも黒だったり、色分けが褪せていたりする機械も珍しくありません。逆接続保護のない作業灯は、プラスとマイナスを初めて逆につないだ時点で損傷する可能性があります。車両側の電気環境も穏やかではありません。道路車両の電気的負荷に関する規格ISO 16750-2には、逆電圧の試験項目と、ロードダンプ（load dump：オルタネーターによる充電中にバッテリーが外れたときに生じる電圧サージ）の試験項目が含まれています。
当社の設計・製造：当社のドライバーには逆接続保護が組み込まれています。また当社の作業灯はDC 9〜32 Vで動作するため、1つの品番で12 Vと24 Vの機械に対応できます。
6. レンズ：黄変する樹脂
ポリカーボネートは強靭なため作業灯のレンズに使われますが、UV安定化されていないポリカーボネートは紫外線で黄変し、光の透過率が下がり、もろくなります。樹脂メーカーがUV安定化グレードやコーティングを販売しているのは、まさにこのためです。安価なレンズは納品日には見た目が変わらなくても、屋外で時間がたつと、透過する光がはっきり減ります。レンズ材料について詳しくはPolycarbonate Lensをご覧ください。
当社の設計・製造：当社のレンズの大半は耐UVポリカーボネート製です。一部の型式は表面硬化処理レンズを採用し、代わりにガラスを使う型式もあります。
7. シール材：揮発してレンズを曇らせるシリコーン
作業灯は水の侵入を防ぐために密閉されていますが、それは内部の材料が放出するものも閉じ込めることを意味します。接着剤、ガスケット、Oリング、ポッティング材は、高温になると揮発性化合物を放出することがあります。密閉された灯具内では、これらがレンズの内側に凝縮して汚れのような曇り（ヘイズ）になり、LED自体のシリコーンに吸収されて変色させることもあります。Creeの化学的適合性に関する資料は、ほぼ密閉された照明器具で100時間未満のうちに光が目に見えて黄変した例を示しています。また、密閉した試験群が450時間後に光出力の90%を失った一方、筐体に通気を設けた群は失った出力のほぼすべてを24時間以内に回復したことも示しています。
それでも密閉は必要です。重要なのは、灯具の動作温度で揮発しないシール材を使い、完成した作業灯を高温状態で試験することです。
当社の設計・製造：シール材は揮発を考慮して選定し、ドライバーはポッティング加工しています。密閉後の作業灯は、当社の浸水試験、高圧噴射試験、冷熱衝撃試験を受けます。シールに関するIP等級の比較については、IP69KとIP68で解説しています。
7つのコスト削減、引き起こす不具合、確認すべき点
| コスト削減の箇所 | 引き起こす不具合 | サプライヤーに確認すること |
|---|---|---|
| マグネシウム合金ハウジング, 薄い肉厚 | LEDの高温化, 早い減光, 一部LEDの焼損 | ハウジング合金のグレードと肉厚 |
| 薄い基板, 弱い絶縁層 | LED直下にこもる熱 | 基板の種類, 絶縁層の熱伝導率の測定方法 |
| 塗りむらのある、または低グレードの放熱グリス | 局所的な高温部, 早い減光 | 熱伝導材とその塗布方法 |
| 不十分なリフロー管理 | ちらつき, その後の振動による故障 | リフロープロファイルの管理, 振動試験と冷熱衝撃試験 |
| 逆接続保護なし | 逆配線で作業灯が破損 | 逆接続保護が組み込まれているか |
| UV安定化されていないレンズ | 黄変, 光量の低下 | レンズ材質とUV安定化 |
| 揮発するシール材 | レンズ内側の曇り, LEDの変色 | シール材と密閉後の作業灯の高温試験 |
サプライヤーに確認すべき質問
7つのコスト削減は上の表のとおりです。このほかに、作業灯のメーカーに聞いておく価値のある質問が3つあります。いずれも型式や案件によって答えが変わるためです。
作業灯にブリーザーベント（通気口）または通気膜はありますか？結露にはどう対処していますか？
作業灯が過熱したとき、ドライバーは出力を下げますか？
作業灯はロードダンプなど、どの過渡試験に、どの規格で合格していますか？
サプライヤー間で比較できる仕様については、建設機械用LED作業灯で解説しています。製品ラインナップはLED作業灯をご覧ください。
現在お使いの作業灯がこれらのいずれかの形で故障を繰り返している場合は、型式、機械、故障の状況をお送りください。7つのうちどれが原因として考えられるか、当社なら何を変えるかをお伝えします。
よくある質問
LED作業灯がすぐに焼損する原因は何ですか？
多くの場合は熱です。ハウジング、基板、放熱グリスがLEDから熱を逃がせないと、LEDは設計以上の温度で動作し、早く暗くなり、条件の最も悪い位置では焼損します。突然の故障は、不十分なはんだ付けや逆接続保護の欠如によって起こります。
機械の稼働中にLED作業灯がちらつくのはなぜですか？
エンジンの振動とともに現れるちらつきは、多くの場合、灯具内部のはんだ接合部の亀裂や接続の緩みを示しています。温度サイクルが時間とともにはんだを弱め、振動がその亀裂を開きます。
LED作業灯の内側が曇るのはなぜですか？
シールを越えて湿気が侵入したか、灯具内部の材料が揮発してレンズに凝縮したかのどちらかです。揮発は熱によって進むため、高温で動作する作業灯で最も多く見られます。
LED作業灯を逆に配線すると壊れますか？
逆接続保護のない作業灯であれば、壊れる可能性があります。現場の作業員が取り付ける前に、ドライバーが保護されているかをサプライヤーに確認してください。
