JP2009170341A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】停電時にも点灯状態を一定時間持続可能な非常時兼用照明装置を、部品点数の少ない回路を用いて提供する。
【解決手段】直流電圧が印加される直列接続された複数の発光素子からなる光源と、前記複数の発光素子のうちいずれか一又は複数の発光素子に並列に接続されたキャパシタと、を備え、外部電源からの電力供給が停止されたときに、前記キャパシタからの電力の供給により、前記光源の点灯を一定時間持続させることで、停電時にも点灯状態を一定時間持続可能な非常時兼用照明装置を、部品点数の少ない回路を用いて提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に関し、停電時にも点灯状態を一定時間持続する非常時兼用照明装置に関する。

地震、火災等の災害時には、照明装置に対する外部電源からの電力供給が断たれてしまうことがある。このような非常時に、建物の屋内に残された人々を無事避難させるためには、非常用の照明装置が不可欠である。

通常、非常用照明装置は、一次又は二次電池を搭載し、停電時にのみ点灯する仕組みになっている。つまり、平常時に使用されることがないため、どうしても維持管理が疎かになり、いざという時に電池の消耗や装置の故障に出くわして点灯しないというケースが少なくない。また、通常の照明装置とは異なる場所に設置されているケースが多いため、必ずしも適切な照明効果が得られるとはいえなかった。

そこで、上記課題を解決すべく、地震等による停電時には通常の照明装置を非常灯として点灯させる非常時兼用の照明装置が提案されている。非常時兼用照明装置は、外部電源から供給される主電力の他に独立した非常用電源を搭載している。従って、当該照明装置が故障しない限りは、停電時にも屋内を照明することができ、取り残された人々を避難させるのに効果を発揮する。通常使用している照明装置を使うため、維持管理が容易で、照明位置がずれることもない。

例えば、特許文献１には、上記のような非常時兼用照明装置が開示されている。
非常時兼用照明装置には、電流の増大とそれに伴う装置の大型化といった問題が生じるが、特許文献１に記載の技術は、マイクロコンピュータを用いたシステムで停電を検知し、スイッチング素子を用いて光源への電力供給と充電池の充電をバランスよく制御することで、装置の小型化を実現している。
特開２００７−１６５０１６号公報

例えば、特許文献１のような装置では、異常停電を検知する停電検知回路や、過電流を抑えるための充放電制御回路が用いられている。そのため、電気回路の部品点数がどうしても多くなってしまい、装置の故障リスクの増大を招き、かつ製造コストもかかっていた。

本発明は、停電時にも点灯状態を一定時間持続可能な非常時兼用照明装置を、部品点数の少ない回路を用いて提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、照明装置において、直流電圧が印加される直列接続された複数の発光素子からなる光源と、前記複数の発光素子のうちいずれか一又は複数の発光素子に並列に接続されたキャパシタと、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記キャパシタは、前記複数の発光素子のうちグランドからの電位が最低となる発光素子に並列に接続されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記キャパシタは、前記複数の発光素子のうちグランドからの電位が最低となる発光素子及びその次の低電位に位置する発光素子に跨って並列に接続されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の照明装置において、前記キャパシタは、前記複数の発光素子のすべての発光素子に跨って並列に接続されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置において、前記光源への電力の供給又は遮断を行う主スイッチが設けられ、前記キャパシタと前記発光素子との間に前記主スイッチの供給又は遮断動作に連動する補助スイッチが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、停電時にも点灯状態を一定時間持続可能な非常時兼用照明装置を、部品点数の少ない回路を用いて提供することができる。
従って、装置の故障リスクを軽減でき、かつ製造コストを抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を搭載した第１の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。
図１に示すように、第１の実施形態に係る照明装置１００は、点灯スイッチ１と、外部商用電源２と、コンバータ電源回路３と、ダイオード４と、電流制限抵抗５と、ＬＥＤ６と、時定数制御抵抗７と、電気二重層キャパシタ８と、を備えて構成される。

点灯スイッチ１は、照明装置１００の通常動作時の電力回路を開閉する電力機器である。点灯スイッチ１の一端は外部商用電源２と、他端はコンバータ電源回路３と、それぞれ接続されている。点灯スイッチ１がＯＮにされると、外部商用電源２から供給される電力がコンバータ電源回路３へと供給される。一方、点灯スイッチ１がＯＦＦにされると、外部商用電源２からコンバータ電源回路３への電力の供給がストップする。

外部商用電源２は、電力会社から供給される電力を受電するための装置である。外部商用電源２を通じて受電された電力は、点灯スイッチ１のＯＮ操作により、コンバータ電源回路３へと供給される。

コンバータ電源回路３は、入力電力から必要とされる出力電力を生成する電力変換装置である。コンバータ電源回路３は、外部商用電源２を通じて供給された電力（交流電流）をＬＥＤの点灯に適した直流電流へと変換し、出力する。

ダイオード４は、電流を一定方向にしか流さない整流作用を持つ電子素子である。ダイオード４は、アノード（陽極）及びカソード（陰極）の二つの端子を持ち、アノードからカソードへのみ電流を流す。第１の実施形態において、ダイオード４の一端はコンバータ電源回路３と、他端は電流制限抵抗５とそれぞれ接続されているが、図１に示すように、コンバータ電源回路３側がアノード、電流制限抵抗５側がカソードとなっている。すなわち、コンバータ電源回路３側から電流制限抵抗５側へと電流は流れることとなる。

電流制限抵抗５は、ＬＥＤ６に大電流が流れることでＬＥＤ６が破壊されることを回避するために設けられた抵抗である。電流制限抵抗５の抵抗値は、ＬＥＤ６に流れる電流がＬＥＤ６の最大動作電流を超えないように選択される。

ＬＥＤ６は、順方向に直流電圧を加えた際に発光する半導体素子であり、複数個（６個）のＬＥＤが直列に接続されている。第１の実施形態におけるＬＥＤ６は、ダイオード４により整流された方向から電流が流れてきたときにのみ発光する。
ＬＥＤ６のうち、グランドからの電位が最低となるＬＥＤ６１には、時定数制御抵抗７を介して、並列に電気二重層キャパシタ８が接続されている。

時定数制御抵抗７は、電気二重層キャパシタ８とからなる回路の時定数を制御するための抵抗である。時定数制御抵抗７の抵抗値により、電気二重層キャパシタ８の充電時間、及び放電時間（停電時の点灯持続時間）が制御される。

電気二重層キャパシタ８は、静電容量に従い、電荷（電気エネルギー）を蓄えたり、放出したりする受動素子である。電気二重層キャパシタ８は、電解液‐電極界面において電解液中のイオン及び電極中の電荷担体（電子又はホール）が互いに引き合う格好で整列する現象（電気二重層）を用いて蓄電する。
時定数制御抵抗７を介して流れる電流により、電気二重層キャパシタ８に電荷が蓄電される。なお、電気二重層キャパシタ８は、ＬＥＤ６１と並列に接続されているため、ＬＥＤ６の直列回路の電流の流れを停止させることはない。

電気二重層キャパシタ８は、蓄電されることにより、電源としての機能を得る。具体的には、外部商用電源２からの電力供給の停止時（例えば、停電時）に、非常用電源として電力を放電し、時定数制御抵抗７を介してＬＥＤ６１に電力を供給する。
なお、第１の実施形態では、点灯スイッチ１がＯＦＦにされたときにも電気二重層キャパシタ８による放電が起こり、ＬＥＤ６１は一定時間点灯状態を持続する。

このように、点灯スイッチ１がＯＮにされると、外部商用電源２から電力の供給を受けたコンバータ電源回路３から、直列に接続された複数のＬＥＤ６に直流電流が流れ、ＬＥＤ６が点灯する。
同時に、当該ＬＥＤ６のうち、最も低い電位側に接続されたＬＥＤ６１に並列接続されている電気二重層キャパシタ８が充電される。

電気二重層キャパシタ８の充電中は、電気二重層キャパシタ８の方に電流が分流されるため、当該ＬＥＤ６１は徐々にしか明るくならないが、その他のＬＥＤ６は瞬時に点灯するため、当該照明装置１００における照明機能が妨げられることはない。

第１の実施形態に係る照明装置１００によれば、照明装置１００が通常点灯中に、災害や事故等により外部商用電源２からの電力供給が遮断されると、非常用電源である電気二重層キャパシタ８が並列に接続されたＬＥＤ６１だけは一定時間点灯状態を持続することができ、その他のＬＥＤは消灯する。

停電時の点灯持続時間は以下の式で表される。
ＬＥＤ６１のＩ-Ｖ特性を近似すると、
Ｉ＝Ａ（Ｖ−Ｖｃ） ただし、Ｖｃ＜Ｖ＜２Ｖｃ ・・（１）
となる。
電気二重層キャパシタ８放電時にＬＥＤ６１を流れる電流値は、
Ｉ（ｔ）＝｛（Ｖ０−Ｖｃ）／（Ｒ＋１／Ａ）｝ｅｘｐ（−ｔ／（Ｃ（Ｒ＋１／Ａ））） ・・（２）
となる。
ただし、上式で、Ｖ０：充電電圧、Ｖｃ：カットオフ電圧、Ａ：比例定数、Ｒ＝Ｒ０＋Ｒｃ（ただし、Ｒ０：電気二重層キャパシタ８の内部抵抗、Ｒｃ：外付け時定数制御抵抗）、Ｃ：電気二重層キャパシタ８の電気容量、を表す。
（２）式によると、放電電流はいつまでも流れ続けることになる（Ｉ（ｔ）＞０）が、実際には、電流値の低下に伴いＬＥＤの発光量が減少し、照明として十分な光量を確保できなくなる。

ここで、ＬＥＤとして最大定格３５０ｍＡの１Ｗ級素子を用いた場合の一数値例を示す。Ｖ０＝４Ｖ、Ｖｃ＝２．８Ｖ、Ｒ０＝０．１Ω、Ｒｃ＝１．０Ω、１／Ａ＝３．３Ω、Ｃ＝１００Ｆとすると、Ｒ＝Ｒ０＋Ｒｃ＝１．１Ω、時定数τ＝Ｃ（Ｒ＋１／Ａ）＝４４０秒と算出される。
この場合、（２）式より、非常点灯開始時の放電電流Ｉ（０）＝（Ｖ０−Ｖｃ）／（Ｒ＋１／Ａ）＝０．２７Ａとなる。一方、Ｉ（４４０）＝｛（Ｖ０−Ｖｃ）／（Ｒ＋１／Ａ）｝ｅｘｐ(−４４０／τ)＝０．１Ａとなり、７分後でもＬＥＤ６１に１００ｍＡ以上の電流が流れ、非常用照明として十分な光量を確保できていることがわかる。

（第２の実施形態）
図２は、複数のＬＥＤを搭載した第２の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。
図２は、図１に示した第１の実施形態に係る回路図と、点灯スイッチ１と連動する補助スイッチ１１を備える部分において異なる。
なお、以下の説明において、第１の実施形態と同一の部分には、同じ符号を付して説明を省略する。

補助スイッチ１１は、ＬＥＤ６１と電気二重層キャパシタ８との間に直列に接続され、点灯スイッチ１のＯＮ／ＯＦＦと連動してスイッチがＯＮ／ＯＦＦとなるように構成されている。

通常点灯時に点灯スイッチ１がＯＦＦにされると、補助スイッチ１１もＯＦＦとなり、電気二重層キャパシタ８からＬＥＤ６１への電力の供給路が遮断される。このため、ＬＥＤ６１は他のＬＥＤ６同様瞬時に消灯する。

一方、停電時は、点灯スイッチ１がＯＮの状態にも関わらず、外部商用電源２からの電力の供給が断たれる。このとき、補助スイッチもＯＮの状態のままなので、電気二重層キャパシタ８からの放電により、ＬＥＤ６１だけは一定時間点灯状態を持続することができる。

このように、第２の実施形態に係る照明装置１００は、点灯スイッチ１に連動する補助スイッチ１１を備えることで、通常の消灯操作の際、電気二重層キャパシタ８からＬＥＤ６１に電流が流れることはなく、ＬＥＤ６１が一定時間点灯状態を持続することはなくなり、一般の照明器具とまったく同じ点灯・消灯動作をすることができる。

上述したように、第１及び第２の実施形態に係る照明装置１００は、停電時にも点灯状態を一定時間持続可能な非常時兼用照明装置を、部品点数の少ない回路を用いて実現している。例えば、マイクロコンピュータを用いた停電検知回路や過電流を抑えるための充放電制御回路は、本発明においては不要である。
従って、装置の故障リスクを軽減でき、かつ製造コストを抑えることができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上記実施形態では、光源としてＬＥＤを使用しているが、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）や無機ＥＬ等の固体の発光素子を使用してもよい。

また、上記実施形態では、ＬＥＤ６のうち、グランドからの電位が最低となるＬＥＤ６１のみに電気二重層キャパシタ８を並列接続させているが、例えば、図３、４に示すように、電気二重層キャパシタ８に並列接続させるＬＥＤ６の個数は自由に変更することができる。
図３は、複数のＬＥＤを搭載した第３の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図であり、最低電位のＬＥＤ６１とその次に電位の低いＬＥＤ６２が、電気二重層キャパシタ８と並列に接続されている。
図４は、複数のＬＥＤを搭載した第４の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図であり、搭載されているＬＥＤ６すべてが、電気二重層キャパシタ８と並列に接続されている。
なお、上記実施形態では、６個のＬＥＤを直列接続したが、ＬＥＤの個数も自由に設計することができる。例えば、図４のような構成をとれば、１個のＬＥＤでも本発明を実施することは可能である。

また、第３及び第４の実施形態においても、第２の実施形態における補助スイッチ１１を、光源と電気二重層キャパシタ８との間に直列に接続するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ＬＥＤ６のうち、グランドからの電位が低いＬＥＤを電気二重層キャパシタ８に並列接続させている。これは、高電位側のＬＥＤに電気二重層キャパシタを接続しても原理的には何の問題もないが、単独の電気二重層キャパシタの両電極間の耐電圧は通常２．５Ｖ程度と低いため、事故等の何らかの要因により、万一、電気二重層キャパシタの片方の電極がグランド電位にショートした場合には、電気二重層キャパシタの両電極間に高い電圧が印加されて電気二重層キャパシタが破損するので、より安全を確保するための方策である。
従って、ＬＥＤ複数個を電気二重層キャパシタ８に並列接続させる場合（例えば、図３、４）は、グランドからの電位が低いＬＥＤから順に並列接続させる方がよい。

また、上記実施形態では、外部商用電源２からの電力供給により電気二重層キャパシタ８が充電されるよう構成されているが、他の外部電源からの電力供給により充電させるようにしてもよい。

複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）を搭載した第１の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。 複数のＬＥＤを搭載した第２の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。 複数のＬＥＤを搭載した第３の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。 複数のＬＥＤを搭載した第４の実施形態に係る照明装置１００の電気回路について示した回路図である。

符号の説明

１００ 照明装置
１ 点灯スイッチ
１１ 補助スイッチ
２ 外部商用電源
３ コンバータ電源回路
４ ダイオード
５ 電流制限抵抗
６ ＬＥＤ
６１ 最低電位のＬＥＤ
６２ ２番目に低い電位のＬＥＤ
７ 時定数制御抵抗
８ 電気二重層キャパシタ

Claims (5)

1. 直流電圧が印加される直列接続された複数の発光素子からなる光源と、
   前記複数の発光素子のうちいずれか一又は複数の発光素子に並列に接続されたキャパシタと、を備えたことを特徴とする照明装置。
2. 前記キャパシタは、前記複数の発光素子のうちグランドからの電位が最低となる発光素子に並列に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。
3. 前記キャパシタは、前記複数の発光素子のうちグランドからの電位が最低となる発光素子及びその次の低電位に位置する発光素子に跨って並列に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。
4. 前記キャパシタは、前記複数の発光素子のすべての発光素子に跨って並列に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。
5. 前記光源への電力の供給又は遮断を行う主スイッチが設けられ、
   前記キャパシタと前記発光素子との間に前記主スイッチの供給又は遮断動作に連動する補助スイッチが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。

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