JP2010009972A

JP2010009972A - 発光モジュール及び発光装置

Info

Publication number: JP2010009972A
Application number: JP2008168898A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Tanaka; 敏也田中; Shigeru Osawa; 滋大澤
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】発光素子の温度上昇による光出力の低下に伴う輝度むらを軽減し、輝度を均一化できる発光モジュール及びこの発光モジュールを用いた発光装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、複数の発光素子３が直列に接続された直列回路を複数有し、これら直列回路が互いに並列接続されるように、前記複数の発光素子３がそれぞれ実装されてなる発光基板２と、前記複数の直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路に流れる電流値を他の直列回路に流れる電流値と異なるように設定して前記複数の発光素子３をそれぞれ点灯させる点灯回路OCとを備える発光モジュール１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ等の発光素子を実装した発光モジュール及びこの発光モジュールを用いた発光装置に関する。

近年、複数のＬＥＤ等の発光素子を基板に実装し、光源として用いる照明器具が開発されている。これら照明器具に実装されるＬＥＤ等の発光素子は、その温度が上昇するに従い、光出力の低下とともに寿命にも影響を与え、特に、基板の中央部の温度が上昇し易く、中央部の温度上昇に伴い、中央部に実装された発光素子の光出力が低下し、その周りの発光素子との輝度が不均一となり、輝度むらが生じる虞があった。従来、白色ＬＥＤ素子を千鳥格子状に配列し、これらＬＥＤ素子を２つ以上の互いに独立した配線パターンで電気的に接続したＬＥＤ照明光源が提案されている（特許文献１参照）。このＬＥＤ照明光源は、配線パターンのいずれかが断線しても断線していない配線パターンに接続している白色ＬＥＤ素子群が等間隔に配列されているので、照度の均一性を保持することができるというものである。
特開２００５−１００８００号公報

しかしながら、特許文献１に示されたものは、ＬＥＤの温度上昇による光出力の低下の改善、況しては、例えば、基板の中央部の温度が上昇し、中央部に実装されたＬＥＤの光出力が低下することによる輝度むらを改善するという課題に至っては何ら着目されていない。

本発明は、上記課題に着目してなされたもので、発光素子の温度上昇による光出力の低下に伴う輝度むらを軽減し、輝度を均一化できる発光モジュール及びこの発光モジュールを用いた発光装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発光モジュールは、複数の発光素子が直列に接続された直列回路を複数有し、これら直列回路が互いに並列接続されるように、前記複数の発光素子がそれぞれ実装されてなる発光基板と；前記複数の直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路に流れる電流値を他の直列回路に流れる電流値と異なるように設定して前記複数の発光素子をそれぞれ点灯させる点灯回路と；を具備していることを特徴とする。

発光素子とは、ＬＥＤや有機ＥＬ等の固体発光素子であり、この発光素子の実装個数には特段制限はない。「複数の直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路に流れる電流値を他の直列回路に流れる電流値と異なるように設定」とは、例えば、直列回路が２つである場合には、相互に電流値が異なる場合が該当し、直列回路が３つである場合には、そのうちの１つの直列回路の電流値が他の２つ直列回路の電流値とは異なる場合、２つの直列回路の電流値が他の１つの直列回路の電流値とは異なる場合や３つの直列回路とも電流値が異なる場合が該当する。但し、１つの直列回路の電流値が他の２つ直列回路の電流値とは異なる場合といっても、これは、２つの直列回路の電流値が他の１つの直列回路の電流値とは異なる場合と同意義であり、相対的なものに他ならない。また、直列回路の数には特段制限はない。

請求項２に記載の発光モジュールは、請求項１に記載の発光モジュールにおいて、前記複数の直列回路は、発光基板の略中央部に実装された発光素子が直列に接続された直列回路と、これら発光素子の周囲に実装された発光素子が直列に接続された直列回路であることを特徴とする。

請求項３に記載の発光装置は、装置本体と；この装置本体に組込まれた請求項１又は請求項２に記載の発光モジュールと；を具備したことを特徴とする。発光装置は、口金を有する光源や屋内、屋外用の照明器具、ディスプレイ装置等を含む概念である。

請求項１に記載の発明によれば、発光素子の温度上昇等に起因して光出力が低下しやすい直列回路の電流値が調整されて点灯されるので、全体として輝度むらの軽減が可能な発光モジュールを提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、基板の略中央部に実装された点灯中の温度が上昇しやすい発光素子と、その周囲に実装された発光素子との関係で電流値が調整されるので、基板の略中央部とその周囲との輝度比を小さくして輝度むらを軽減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、前記各請求項の発光モジュールの効果を奏する発光装置を提供できる。

以下、本発明の発光モジュールの第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、発光モジュールを模式的に示す平面図、図２は、発光モジュールの回路図である。図１において、発光モジュール１は、円板状の発光基板２と、この基板２上に実装された複数の発光素子３と、この発光素子３を電気的に接続した配線パターン４及び電源接続用のコネクタ５とから構成されている。

基板２は、金属又は絶縁材で円板状に形成され、表面側の部品実装面には、複数の発光素子３が各々所定の間隔を空けてマトリクス状に２１個実装されている。なお、基板２を金属製とする場合は、アルミニウムや銅等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料を適用するのが好ましい。絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れた熱伝導フィラー入りのセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。基板２の形状は、円形状に限らない。四角形、多角形状であってもよい。

発光素子３は、表面実装型のＬＥＤパッケージであり、概略的にはセラミックスで形成された本体と、この本体に実装されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂等のモールド用の透光性樹脂とから構成されている。なお、ＬＥＤパッケージには、ＬＥＤチップを複数個実装し、各ＬＥＤチップがパッケージの電極間に直列に接続されているタイプのものを適用してもよいし、ＬＥＤパッケージにＬＥＤチップが１個実装されているタイプのものを適用してもよい。また、発光素子３の実装方式は、表面実装方式に限らず、チップ・オン・ボード方式等で実装してもよい。

ＬＥＤチップは、青色光を発光する青色のＬＥＤチップである。モールド用の透光性樹脂は、ＬＥＤチップの発光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体を含有しており、ＬＥＤチップからの光は、ＬＥＤパッケージの透光性樹脂を透過し、白色や電球色等の白色系の発光色となって放射されるようになっている。

基板２の表面には絶縁層が形成されており、この絶縁層上に銅箔等の導電性の材料によって配線パターン４が形成されている。発光素子３は、マトリクス状に整列しているが、これら発光素子３は、電気的には配線パターン４により３つのブロックに分割されてそれぞれが直列に接続されている。第１のブロック４-1は、基板２の中央部に実装された４個の発光素子３と、図示上、上側に実装された３個の発光素子３との合計７個で構成されている。第２のブロック４-2及び第３のブロック４-3は、中央部に実装された発光素子３の周囲、すなわち、第１のブロック４-1の周囲に実装された発光素子３によって構成されている。第２のブロック４-2は、中央部から図示上、左側の列に配置された４個の発光素子３と、その外側の列に配置された３個の発光素子３とから構成されており、また、第３のブロック４-3は、中央部から図示上、右側の列に配置された４個の発光素子３と、その外側の列に配置された３個の発光素子３とから構成されている。そして、これらブロックを構成する発光素子３は、それぞれブロックごとに配線パターン４により直列に接続されて直列回路を構成している。さらに、第１のブロック４-1、第２のブロック４-2及び第３のブロック４-3の一端は、正極側端子（＋）に共通接続されており、他端は、負極側端子（−）１、（−）２、（−）３をなしている。なお、基板２の外周縁近傍には、電源接続用のコネクタ５が配設されている。

上記発光素子３を点灯制御する整流器RECやトランジスタQ等の点灯回路部品は、図示しない点灯回路基板に配設されており、この点灯回路基板と前記基板２とは電源接続用のコネクタ５を介してリード線によって接続されている。なお、点灯回路部品は、基板２の発光素子３の実装面のスペースや基板２の裏面側に配設するようにしてもよい。

次に、発光モジュール１の回路構成について図２を参照して説明する。図２（ａ）は、点灯回路を示し、（ｂ）は、発光素子の複数の直列回路を示している。まず、図２（ａ）に示す点灯回路において、商用交流電源ACの両端にヒューズFを介して、コンデンサC1が接続されている。このコンデンサC1は商用交流電源AC等からの雑音を防止するものである。コンデンサC1の両端には全波整流器RECが接続され、全波整流器RECの出力端には、チョークコイルよりなるインダクタL1を介して平滑用コンデンサC2が接続されている。インダクタL1は、入力電流を安定化する機能をなし、前記全波整流器REC及び平滑用コンデンサC2とで整流平滑回路を構成している。

そして、平滑用コンデンサC2の出力端には、抵抗素子R1と定電圧ダイオードZD1とを接続した直列回路が接続されている。また、抵抗素子R1と定電圧ダイオードZD1との接続点には、ＮＰＮトランジスタQ1のベースが接続されており、このトランジスタQ1のエミッタ側には限流手段としての抵抗素子R2が接続されている。そして、抵抗素子R1の一端側が正極側端子（＋）に接続され、トランジスタQ1のコレクタ側が負極側端子（−）１に接続されて、第１段目の点灯回路OC1が構成されている。

さらに、平滑用コンデンサC2の出力端には、点灯回路OC1と同様に、抵抗素子R3、定電圧ダイオードZD2、ＮＰＮトランジスタQ2及び抵抗素子R4とからなり、抵抗素子R3の一端側が正極側端子（＋）に接続され、トランジスタQ2のコレクタ側が負極側端子（−）２に接続された第２段目の点灯回路OC2が接続されている。同様に、詳細は省略するが、平滑用コンデンサC2の出力端には、第３段目の点灯回路OC3が接続されている。

図２（ｂ）に示す発光素子、すなわち、ＬＥＤチップLCが複数個直列に接続された直列回路は、上述の第１のブロック４-1、第２のブロック４-2及び第３のブロック４-3の発光素子３に相当している。具体的には、７個のＬＥＤチップLCがそれぞれ直列に接続され、一端側が正極側端子（＋）に共通接続され、他端側を負極側端子（−）１、（−）２、（−）３としている。したがって、この正極側端子（＋）が点灯回路の正極側端子（＋）に接続され、負極側端子（−）１、（−）２、（−）３がそれぞれ点灯回路の負極側端子（−）１、（−）２、（−）３に接続されて、各ＬＥＤチップLCの直列回路は、商用交流電源ACに対して並列に接続されるようになっている。

このような回路は定電流回路を構成しており、まず、商用交流電源ACから供給された電流が全波整流器RECにより直流に変換され、この直流電流がインダクタL1と平滑用コンデンサC2とにより平滑され、平滑用コンデンサC2の両端に所定の直流出力電圧が得られる。この出力電圧に基づき、ＬＥＤチップLCの直列回路、ＮＰＮトランジスタQ1及び抵抗素子R2の各直列回路に一定の順電流I_Ｆが流れるようになっている。つまり、定電圧ダイオードZDによりトランジスタQのベース電圧Ｖ_Bを一定にしておきトランジスタQのコレクタに流れ込む電流I_Cを一定にし、ＬＥＤチップLCに流れる電流I_Ｆを一定にする。

ここで、第１段目の点灯回路OC1に接続されたＬＥＤチップLCの直列回路（第１のブロック４-1）に流れる電流I_Ｆ１の値は、他の直列回路、すなわち、第２段目の点灯回路OC2に接続されたＬＥＤチップLCの直列回路（第２のブロック４-2）及び第３段目の点灯回路OC3に接続されたＬＥＤチップLCの直列回路（第３のブロック４-3）に流れる電流I_Ｆ１、I_Ｆ３の値より低く設定されている。この電流値の設定は、抵抗素子R2や定電圧ダイオードZD1の定数を変更することによって行うことができる。また、温度センサと組合せ、この温度センサの出力に応じてトランジスタQのベース電流を調整するＩＣ等の制御回路を用いてもよい。

以上のように構成された発光モジュール１の動作及び作用を説明する。商用交流電源ACを投入すると、配線パターン４を通じて発光素子３、すなわち、ＬＥＤチップLCが発光する。この発光に伴い、一般的には、ＬＥＤチップLCの温度が上昇し、ＬＥＤチップLCの諸特性に影響を与え光出力は低下する。この場合、基板２の中央部は、放熱が円滑に促進され難いことから、基板２の中央部の温度上昇が、その周囲よりも大きく、基板２の中央部に実装されたＬＥＤチップLCの光出力の低下により、周囲のＬＥＤチップLCとの輝度が不均一となり、輝度むらを生じる。

しかしながら、上記の構成では、基板２の中央部に位置する第１のブロック４-1のＬＥＤチップLCに流れる電流I_Ｆ１の値を低くしたので、この部分の温度上昇を抑制することができ、したがって、温度上昇による光出力の低下を抑えることができ、周囲の第２のブロック４-2、第３のブロック４-3との光出力のバランスをとり、輝度比を小さくして輝度むらを軽減することが可能となる。電流I_Ｆの値を低くすると、光出力も低下する方向に作用するので、この場合の条件は、電流I_Ｆの値を低くしたときの光出力の低下方向への作用より、温度が下がることによる光出力の上昇方向への作用の度合いが大きい場合である。

次に、他の実施形態として中央部に位置する第１のブロック４-1のＬＥＤチップLCに流れる電流I_F１の値よりも、周囲の第２のブロック４-2、第３のブロック４-3のＬＥＤチップLCの直列回路に流れる電流I_Ｆ２、I_Ｆ３の値を低く設定することも考えられる。この場合は、基板２の中央部の温度上昇によるＬＥＤチップLCの光出力の低下に伴い、この中央部の光出力とのバランスをとり輝度比を小さくするため、周囲の第２のブロック４-2、第３のブロック４-3の光出力を電流I_Ｆ２、I_Ｆ３の値を低く設定することにより下げるものである。

また、例えば、点灯回路部品が基板２に実装されている場合において、トランジスタ等の発熱部品がＬＥＤチップLCの近傍に配置されているときには、当該ＬＥＤチップLCが自身の熱と発熱部品からの熱を受けることによって、光出力の低下を来たすが、この場合には、発熱部品の近傍のＬＥＤチップLCの直列回路のブロックと他のＬＥＤチップLCの直列回路のブロックに流れる電流I_Ｆの値を異なるように設定することにより、輝度むらを軽減することができる。

よって、第１のブロック４-1、第２のブロック４-2、第３のブロック４-3のいずれの直列回路に流れる電流I_Ｆを異なるように設定するかは、ＬＥＤチップLCの温度特性、設計条件等により適宜選択すればよい。なお、複数の直列回路の数は、特段限定されるものではない。

以上のように本実施形態によれば、複数のＬＥＤチップLCの直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路を流れる電流I_Ｆの値を異なるように設定したので、ＬＥＤチップLCの温度上昇による光出力の低下に伴う輝度むらを軽減し、輝度の均一化が可能な発光モジュール１を提供することができる。

次に、本発明の発光モジュールの第２の実施形態について図３を参照して説明する。図３は、発光モジュールを模式的に示す平面図である。なお、以降第１の実施形態と同一又は相当部分には、同一の符号を付し重複した説明を省略する。本実施形態は、第１の実施形態とは、配線パターン４の接続を異ならしめたものである。第１のブロック４-1は、基板２の中央部に実装された７個の発光素子３が蛇行状に接続されている。第２のブロック４-2及び第３のブロック４-3は、中央部に実装された発光素子３の周囲、すなわち、第１のブロック４-1の周囲に実装された発光素子３によって構成されている。第２のブロック４-2、第３のブロック４-3ともに７個の発光素子３が接続されている。これらブロックを構成する発光素子３は、それぞれブロックごとに配線パターン４により直列に接続されて直列回路を構成している。

このような配線パターン４による場合も第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。

次に、本発明の発光モジュールの第３の実施形態について図４を参照して説明する。図４は、発光モジュールを模式的に示す平面図である。本実施形態は、第１の実施形態とは、発光素子３の配列及び配線パターン４の接続を異ならしめたものである。発光素子３は、縦５個×横５個の合計２５個がマトリクス状に配設されている。第１のブロック４-1は、基板２の中央部に実装された８個の発光素子３が正方形状に接続されている。第２のブロック４-2及び第３のブロック４-3は、中央部に実装された発光素子３の外側を囲むように、すなわち、第１のブロック４-1の周囲に実装されたそれぞれ８個の発光素子３によって正方形状に接続されて構成されている。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果を奏することができ、また、発光素子３の配設方法によって、中央部に実装された発光素子３と、その周囲に実装された発光素子３との境界が明確化し易い利点を有する。

次に、本発明の発光装置の実施形態について図５を参照して説明する。図５は、発光装置の概略の構成図である。この発光装置１０は、例えば、照明器具のダウンライトであり、器具本体１１を有し、器具本体１１内には、放熱フィンを有する金属製の放熱体１２、この放熱体１２に取付けられた発光モジュール１及び反射体１３が収納されている。発光モジュール１は、基板２の裏面側の放熱面がシリコーンラバーシートを介して放熱体１２に密着するようにねじ止めによって取付けられている。勿論、この取付けは、ねじ止めによらず、接着等の手段によってもよい。反射体１３は緩やかな曲面をなす椀状に形成されており、上下端縁を開口し、上端縁を取付開口部１３ａとし、下端縁を照射開口部１３ｂとしている。

本実施形態によれば、上述の発光モジュール１の効果を奏する発光装置１０を提供することができる。

なお、発光装置は、上記実施形態に限らず、発光モジュール１を口金を有する光源に組込んで構成してもよく、また、屋内、屋外用の照明器具やディスプレイ装置に組込んで構成してもよい。

本発明の発光モジュールの第１の実施形態を模式的に示す平面図である。同発光モジュールの回路図である。本発明の発光モジュールの第２の実施形態を模式的に示す平面図である。同第３の実施形態を模式的に示す平面図である。本発明の照明装置の実施形態を示す概略の構成図である。

符号の説明

１・・・発光モジュール、２・・・発光基板、３・・・発光素子（ＬＥＤチップLC）、１０・・・発光装置、１１・・・器具本体、OC・・・点灯回路

Claims

複数の発光素子が直列に接続された直列回路を複数有し、これら直列回路が互いに並列接続されるように、前記複数の発光素子がそれぞれ実装されてなる発光基板と；
前記複数の直列回路のうち、少なくとも１つの直列回路に流れる電流値を他の直列回路に流れる電流値と異なるように設定して前記複数の発光素子をそれぞれ点灯させる点灯回路と；
を具備していることを特徴とする発光モジュール。
前記複数の直列回路は、発光基板の略中央部に実装された発光素子が直列に接続された直列回路と、これら発光素子の周囲に実装された発光素子が直列に接続された直列回路であることを特徴とする請求項１に記載の発光モジュール。
装置本体と；この装置本体に組込まれた請求項１又は請求項２に記載の発光モジュールと；を具備したことを特徴とする発光装置。