JP2010525606A - 半導体照明装置 - Google Patents

Abstract

１又はそれ以上の半導体発光素子を有する半導体ランプと、前記ランプに電気的に接続された限流器を有する電力回路を備える照明器具である。前記限流器は前記ランプに送られた前記電流に最大閾値を課し、前記限流器は基本的に定電流源として作用する。照明装置はモジュールユニットとして、電力回路及びランプを収容するハウジングを備える。
【選択図】図１

Description

本出願は米国仮特許出願第６０／９２６，１４０号（２００７年４月２５日出願）の優先権を主張するものであって、その全体を参照することによって本発明に組み込まれるものとする。本出願はさらに米国仮特許出願第６０／９２６，４７６号（２００７年４月２７日出願）の優先権を主張するものであって、その全体を参照することによって本発明に組み込まれるものとする。

本発明は照明の使用に関し、特に半導体照明に関するものである。

照明製品は世界的に急増し続けている。一般的な照明製品は１又はそれ以上の白熱電球を利用する。白熱電球は安価に購入できるが、熱を９０％生み出し光は１０％しか生み出さない。これにより白熱電球は非効率的であると共に作動するのに費用がかかる。さらに、白熱電球の製品寿命は非常に短い（一般に１０００時間）。

蛍光ランプは白熱電球よりも効率的であるが、水銀等の有害な物質を使用する。さらに、費用のかかる大きな安定器を必要とし、このため蛍光ランプはより小さい場所に不適切となる。さらに、蛍光ランプは低温でうまく機能しない。蛍光ランプは白熱電球よりも寿命が長いが、蛍光ランプは白熱電球よりも高価であると共に、労働力の集約により実現されるメンテナンスをさらに頻繁に行う必要がある。

本発明は半導体照明装置及び器具を提供する。ある実施形態において、このような照明装置は、１又はそれ以上の半導体発光素子を有する半導体ランプと、前記ランプに電気的に接続された限流器を有する電力回路を備え、前記限流器は前記ランプに送られた前記電流に最大閾値を課し、前記限流器は基本的に定電流源として作用する。

電力回路は前記限流器に電気的に接続された電力変換装置をさらに備え、前記電力変換装置は、前記限流器用に交流電力を直流電力に変換するよう構成される。ある実施形態において、前記電力変換装置は前記限流器用に交流電力を直流電力に変換するためのブリッジ整流器を備える。照明装置はモジュールユニットとして電力回路及びランプを収容するハウジングを備える。

ある実装において、前記電力回路は直流電力を前記ランプに送るように構成され、これにより前記ランプは交流線周波数からの負荷サイクル１００％未満で作動する。例において、前記電力回路は直流電力を前記半導体ランプに送るように構成され、これにより前記ランプは交流線周波数からの負荷サイクルの約５０％で作動する。

少なくとも一つの発光素子はＬＥＤを含む。さらに、ランプは単一のストリング回路として繋がれた複数のＬＥＤを備えることが可能である。ランプはまた並列接続で繋がれた複数のＬＥＤストリング回路を備え、前記装置は限流器を各ＬＥＤストリング回路に備えると共に、前記限流器は前記電力回路に接続されることが可能である。

本発明の他の実施形態において、説明される通り、複数の半導体照明装置ユニットを備える照明器具が提供される。他の実施形態において、本発明は１又はそれ以上の半導体照明装置ユニットを備える照明器具を提供する。各照明装置ユニットは、１又はそれ以上の半導体発光素子を有する半導体ランプと、前記ランプに電気的に接続された限流器を有する電力回路を備える照明器具を備え、前記限流器は前記ランプに送られた前記電流に最大閾値を課し、前記限流器は基本的に定電流源として作用する。また照明装置ユニットは、前記限流器用に交流電力を直流電力に変換するためのブリッジ整流器を備える。さらに照明装置ユニットは、電気トレースを有する回路基盤をさらに備え、これにより前記ランプ及び前記電力回路は前記回路基盤に取り付けられると共に前記回路基盤を介して電気的に接続される。また照明装置ユニットは、１又はそれ以上の半導体照明装置ユニットを収容するハウジングを備え、このハウジングはモジュラーユニットを形成する。モジュラーユニットは、既存の電力線を用いて既存の照明環境に適合する形状因子を有する。

本発明のこれら及び他の特性、態様及び利点は以下の記述、添付の請求項及び付随する図面を参照することにより理解される。

本発明の実施形態に係る照明装置の例の機能ブロック図である。 本発明に係る他の照明装置の例の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る照明装置内のＬＥＤ等の発光素子の負荷サイクルのグラフの例である。 本発明の実施形態に係るモジュラー照明装置である。 本発明の実施形態に係る単一のストリング回路として繋がれた複数のＬＥＤの群を有する照明装置の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る並列接続で繋がれた複数のＬＥＤストリング回路を含む照明器具の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る並列接続で交流線に接続された複数の照明装置を有する照明器具の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る照明装置を有する組立モジュラー照明ユニットである。 本発明の実施形態に係る照明器具の例の概略図であって、典型的な蛍光ランプのハウジングに適合するよう組み立てられた照明モジュールを備えている。

本発明は半導体発光素子を用いる照明装置を提供する。この照明装置は、例えば白熱電球や蛍光ランプの代替品とされると同時に、より効率的でより寿命が長い（通常50,000時間）照明をもたらすのに適用される。またこの照明装置は環境にやさしく小型である。

照明装置はさらに、従来における白熱及び蛍光照明よりも小型の組立品とすることが可能である。照明装置はさらに、既存の白熱又は蛍光電球の形状因子に適合するよう組立てられることが可能である。これにより、次に照明装置が白熱又は蛍光照明用の既存のハウジング及び配線に容易に適合可能となる。

図１は本発明の実施形態に係る照明装置（１０）の例の機能ブロック図である。照明装置（１０）はブリッジ整流器等の電力変換装置（１２）を有する電気回路（１１）を備える。この電力変換装置（１２）は交流（ＡＣ）を直流（ＤＣ）に変換する。

電気回路（１１）は限流器（１４）（電流制限器）と、ＬＥＤ（１８）等の１又はそれ以上の半導体発光素子を有する半導体ランプ（１６）をさらに有する。電気回路（１１）及びＬＥＤ（１８）は直列に接続する。

図２は本発明に係る他の照明装置（２０）の例である。ここで電力回路（１１）は、一般的な家庭又は職場における交流線等の電力線に接続する交流線接続部（１９）をさらに有する。

いずれの例においても、限流器（１４）はランプ（１６）に送られた電流に最大閾値を課す。したがってランプ（１６）中を流れる最大電流が低減されることとなる。これにより電力消費が削減され、及び／又はランプ（１６）の発光素子（１８）への損傷が避けられる。

限流器（１４）は単純な設計且つ小型の形状であることが好ましい。これにより、共に用いられる照明装置の変調及び省スペース形状因子が可能となる。より好ましくは、限流器（１４）は高電圧をもたらすと共に定電流源として機能する。これは気温の変化によって原則的に影響されない。

本発明に係る照明装置の実装のための限流器により、電力回路における電力変換工程の簡易化が可能になり、外形寸法の削減がなされる。したがって、照明装置によって変調のための小型／可塑性を有する形状因子が可能となり、冷凍容器、戸棚の下、飾り棚等のスペースが制限される場所における照明に利用可能となる。

限流器（１４）の例は、Supertex社（カリフォルニア州、サニーベール）のＣＬ２であることができる（仕様書はhttp://www.supertex.com/pdf/datasheets/CL2.pdfで公開されている）。さらに限流器（１４）のその他の例は、Texas Instruments社（テキサス州、ダラス）の制御器ＬＭ３１７であることができる（仕様書はhttp://focus.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdfで公開されている）。

電流回路（１１）は交流線に接続可能である。或いは他の実施形態において好適な直流電力が利用可能である場合は、回路（１１）の電力変換装置（１２）は不要である。したがって、利用可能な直流電力は限流器（１４）に電気的に接続可能である。

実装の例において、照明装置（１０）は１２０Ｖ交流（容易に利用可能な家庭用電源）で作動する。電力変換装置（１２）はブリッジ整流器として実装される。図３のグラフの例（３０）に示されるように、このブリッジ整流器は１２０Ｈｚで１２０Ｖ交流を正弦波１２０Ｖ直流信号に変換する。限流器（１４）は２０ｍＡで５から９０Ｖの範囲の動作領域を有する。

ＬＥＤの数は適用可能な線間電圧を決定する。この時、以下の式の通りとなる。
ＬＥＤの数＝（供給電圧−限流器の電圧降下）／各ＬＥＤの電圧降下

限流器全体にわたる電圧降下が４５Ｖの場合、１２０Ｖ交流入力のため、最大供給電圧は１７０Ｖ（最大）＝１２０Ｖ直流ｘ１．４１４である。各ＬＥＤの電圧降下が３．５Ｖの場合、以下の式の通りとなる。
ＬＥＤの数＝（１７０Ｖ（最大）−４５Ｖ）／３．５Ｖ、或いは
ＬＥＤの数＝１２５Ｖ／３．５Ｖ＝３５．７ＬＥＤ又は３６ＬＥＤ

この例において、ＬＥＤ（１８）は、白色ＬＥＤに関しては約３．５Ｖの電圧降下で作動するので、３６個のＬＥＤの全ての電圧降下の総合計は１２６Ｖである。したがって、図３のグラフの例（３０）で示される通り、ＬＥＤに印加された直流電圧が１２６Ｖ直流より高い場合のみＬＥＤは光がつく。ＬＥＤは直列に接続され線間電圧の７５％を補い、５０％の負荷サイクルが達成される。この簡易化された回路を用いて、１２０Ｖ交流を適用すると、交流線周波数から生じるＬＥＤ（１８）上の５０％の負荷サイクルはＬＥＤの寿命を延長し、結果として電気エネルギの節約になる。本発明の範囲内での１００％未満の負荷サイクルを用いるその他の実装も可能である。

このような簡易化されたＬＥＤ回路設計は個別に変調、縮小、拡大、再構築又は置換可能である。図４で概略的に示される通り、照明装置（４０）の例において、限流器（１４）は、回路基盤（４２）（例：プリント回路基盤）上のＬＥＤ（１８）のモジュラーアセンブリ内に埋め込まれている。回路基盤（４２）上の電気トレース（４４）はＬＥＤ（１８）及び限流器（１４）に接続する。したがって、外部の安定器及び変圧器は必要とされないため、照明装置（４０）に小型形状因子がもたらされる。電力変換装置（１２）は小型の形状を保ちつつ回路基盤（４２）上に配置されることも可能である。回路基盤（４２）は構造的支持のため背面板（４６）に接着可能である。

さらに、本発明に係る照明器具は複数の変調された照明装置ユニット（１０）を有する。この照明装置ユニット（１０）は異なる応用のための様々な配置で繋がれている。図５の例に示される通り、本発明に係る照明器具（５０）の例は複数のＬＥＤ（１８）を有する。このＬＥＤ（１８）は単一のストリング回路として繋がれている。図５はさらに、ブリッジ整流器として電力変換装置（１２）を示す。この電力変換装置（１２）は４つのダイオード（１５）を有し、ダイオード（１５）は交流から直流への変換のために接続されている（図３の各グラフ（３０）において）。

図６を参照する。本発明に係るその他の照明器具（６０）は、複数（例えば２つ）のＬＥＤ（１８）のストリング回路（５２）を有する。このストリング回路（５２）は並列に繋がれて半導体ランプを形成する。図７は本発明に係るその他の例の照明器具（７０）を示し、この照明器具（７０）は、交流線に並列接続で接続された複数の照明装置ユニット（１０）を有している。

図８は半導体照明装置を有するモジュラーユニット（８０）の例を示す。モジュラーユニット（８０）は例えば、図４に示す本発明に係る照明装置（４０）等である。モジュラーユニット（８０）において、照明装置（４０）はハウジング（８２）内に配される。ハウジング（８２）はホルダ（８５）の端部（８４Ｌ）、（８４Ｒ）によって保持される。端部（８４Ｌ）、（８４Ｒ）は、照明装置（４０）の電力回路に接続される電力線（８６）を有する。

図８に示す通り、基本的に、照明装置（４０）の全体（電流制限器、ＬＥＤ及びブリッジ整流器を含む）は、モジュラーユニットとしてハウジング（８２）内に配置される。そして、照明装置は既存のホルダ（８５）内に入れられて電力線と電気的に接触し、或いはその他の方法で用いられてもよい。ハウジング（８２）は例えば管状（蛍光ランプの利用において）で、基本的に球形（白熱電球の利用において）等の形状因子を有することができる。ハウジング（８２）は透明、不透明等であることが可能である。

図９は本発明に係る照明モジュール（９２）を備える照明器具（９０）の例を示す。照明モジュール（９２）は一般的な蛍光ランプのハウジング（９４）に適合するよう組み立てられている。このハウジング（９４）は支持部材（９３）の向かい合う端部にホルダ（９４Ｌ）、（９４Ｒ）を有し、照明モジュール（９２）の対応する端部を支持する。照明モジュール（９２）は５つの照明装置ユニット（４０）（図４）を有する。この照明装置ユニット（４０）は連続的に又は並列に交流電力に電気的に接続されることが可能であると共に透明なハウジング（９５）内に収容されている。例えば、照明モジュール（９２）は端から端までが長さ６０インチ（管状モジュール（９５）の長さは５７と１／４インチである）で、幅が１と３／８インチであることができる。他の例も可能である。

大きな安定器、切替型変換器又は変圧器を有さないため、本発明に係る照明装置は新たな設置に適用可能であり、或いは既存の装置の代わりに既存のランプ固定器に適合させることが可能である。この時、追加的な必要条件はなく、或いは周囲環境に変化を及ぼすことがない。半導体ランプ産業がなお高出力のＬＥＤ（駆動回路及び最終製品を大きくするもの）に注目する一方、本発明のある実施形態においては、低定格電流を有する限流器と共により少ない数の低出力ＬＥＤを用いる。この低出力の組み合わせにより、本質的に最小限の熱だけを生み出すこととなる。

本発明はその特定の好適な変形を参照することによりかなり詳細に述べられる。しかし、他の変形も可能である。したがって、添付の請求項の精神及び範囲は、本明細書に含まれる好適な変形の記述によって限定されない。

Claims (15)

1. １又はそれ以上の半導体発光素子を有する半導体ランプと、
   前記ランプに電気的に接続された限流器を有する電力回路を備える照明器具であって、前記限流器は前記ランプに送られた前記電流に最大閾値を課し、
   前記限流器は基本的に定電流源として作用することを特徴とする照明装置。
2. 前記電力回路が前記限流器に電気的に接続された電力変換装置をさらに備え、
   前記電力変換装置は、前記限流器用に交流電力を直流電力に変換するよう構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記電力変換装置が前記限流器用に交流電力を直流電力に変換するためのブリッジ整流器を備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 発光素子がＬＥＤを含むことを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 前記ブリッジ整流器が交流信号を正弦波直流信号に変換することを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 前記電力回路が直流電力を前記ランプに送るように構成され、これにより前記ランプは交流線周波数からの１００％未満の負荷サイクルで作動することを特徴とする請求項３記載の装置。
7. 前記電力回路が直流電力を前記ランプに送るように構成され、これにより前記ランプは交流線周波数からの約５０％の負荷サイクルで作動することを特徴とする請求項３記載の装置。
8. 前記１又はそれ以上のＬＥＤが直列に接続され線間電圧の７５％を補い、前記ＬＥＤの５０％の負荷サイクルは交流線周波数より達成されることを特徴とする請求項４記載の装置。
9. 前記ランプ及び前記電力回路を収容するハウジングをさらに備え、前記ランプ及び電力回路は前記ハウジングと共にモジュラーユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 電気トレースを有する回路基盤をさらに備え、これにより前記ランプ及び前記電力回路は前記回路基盤に取り付けられると共に前記回路基盤を介して電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 電気トレースを有する回路基盤をさらに備える請求項１記載の装置であって、これにより前記ランプ及び前記電力回路は前記回路基盤に取り付けられると共に前記回路基盤を介して電気的に接続され、
    また前記装置はさらに、前記ランプ及び前記電力回路を有する前記回路基盤を収容するハウジングを備え、前記電力回路及び前記ランプを有する前記ハウジング及び回路基盤がモジュラーユニットを形成することを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 前記ランプが単一のストリング回路として繋がれた複数のＬＥＤを備えることを特徴とする請求項４記載の装置。
13. 前記ランプが並列接続で繋がれた複数のＬＥＤストリング回路を備え、前記装置は限流器を各ＬＥＤストリング回路に備え、前記限流器は前記電力回路に接続されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
14. 前記限流器が有効限流制御回路であることを特徴とする請求項１記載の装置。
15. 前記有効限流制御回路が半導体発光素子に送られた前記電流及び電圧に一定のレベルを課すよう構成されていることを特徴とする請求項１４記載の装置。

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