JP2012195222A - 固体発光素子ランプおよび照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】２灯直列逐次始動形の蛍光灯灯具を用いて、固体発光素子ランプを確実に発光させ、かつ、両ランプの明るさを揃えることを課題とする。
【解決手段】２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から電力供給を受けて点灯する固体発光素子ランプにおいて、固体発光素子ランプを直列に２本繋いで点灯させるときに、それぞれの固体発光素子ランプに印加される電圧が、２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下となるように電流値を制御する電流制御手段を有することを特徴とする。
【選択図】図７

Description

本発明は、ラピッドスタート式蛍光灯灯具に何ら改良、改造を加えず、固体発光素子ランプに取り換え可能な、直管型の固体発光素子ランプおよびこれを用いた照明器具に関する。

固体発光素子の一つとして、ＬＥＤが知られている。
本明細書においては、以後「固体発光素子」をＬＥＤと表記するものとする。

従来から、企業や一般家庭の照明装置として蛍光ランプが広く使用されている。蛍光ランプの発光原理は、放電で発生した紫外光を蛍光体に当てて可視光に変換する物で、他の照明装置よりも効率や寿命などの点で優れている。しかしながら、蛍光ランプには微量な水銀が使用されている。水銀は有害物質であり、摂取すると体内に蓄積して神経障害を引き起こす事が報告されている。
それ故、近年の環境意識の向上に基づき、欧州ではRoHS(Restriction of use of certain Hazardous Substance in electrical and electronic equipment)規制など、水銀の使用を制限する動きが現実のものとなっている。
また蛍光ランプの寿命は、他の電球照明よりも長いものの約６０００〜１２０００時間程度であり、しばしば交換しなければならない。先に説明した通り、蛍光ランプには有害物質が含まれており交換作業は慎重に行わなければならない。それ故、ビルや工場といった多量の蛍光ランプを使用している場所では、蛍光ランプの交換に多くの手間と時間を費やしている。

この様な状況を鑑みて、蛍光ランプよりも寿命の長い「ＬＥＤを光源に利用した照明器具」が提案されている。一般的なＬＥＤの寿命は４００００時間以上とされており、交換の手間を大幅に減らす事が出来る。さらに水銀などの有害物質を含まないことから、環境に優しい照明器具としても認知され始めている。

現在、一般に使用されている蛍光灯の点灯方式として、点灯管を用いたグロースタート式蛍光灯灯具が知られている。かつて一般用灯具、業務用灯具として最も普及した点灯方式であったが、始動にかかる時間が約３秒程度と遅かった。そこで、この問題を解決するために開発されたのが「ラピッド（Rapid）型蛍光灯」である。

ラピッドスタート点灯方式は、蛍光管の内面もしくは外面に導電性の被膜を塗布した始動補助導体を持ったラピッドスタート型蛍光管と、余熱巻線付きの磁気漏れ変圧器型安定器の組み合わせで蛍光管を始動するものであり、点灯管を使用しない。

始動にかかる時間は１〜２秒と短く、ビル・百貨店・駅・学校・会社・コンビニなどの公共施設の多くは、現在もこのラピッド方式の蛍光灯を用いている。ただ銅鉄安定器が大きく、重いため交換に手間がかかる。
例えば、駅などで頻繁に見かける直管１１０Ｗ型蛍光灯の安定器の重さは３ｋｇ程もあり、２人以上の交換要員が必要になることもある。
このような交換の煩わしさから、近年ではインバータ方式への移行が意図されている。

上記のラピッドスタート点灯方式には、蛍光管が１本の場合(１灯式)と、２本の蛍光管を直列に繋いだ場合(直列２灯式)の２種類がある。

図１に示すのは１灯式の点灯回路で、リードピーク形（ピーク進相形）と呼ばれる。
符号１が蛍光管、符号５は蛍光管のガラス面外面に塗布された「導電性の被膜始動補助導体」を示す。蛍光管１の内部両端にはフィラメント４が配置され、これらフィラメント４に電子放出のためのエミッター塗料が塗られている。
ラピッド式安定回路３中には、磁気漏れ変圧器型安定器１０があり、その鉄芯には、スリットと呼ばれる隙間が設けられている。この磁気漏れ変圧器型安定器１０の一次側に、スイッチ２を介して端子Ａ，Ｂに印加された商用電源ＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖ（実際にはＡＣ８０Ｖ〜２６５Ｖ）が入力される。

「始動時の動作」
スイッチ２を閉じると、磁気漏れ変圧器型安定器１０の予熱巻線９および一次側の巻線１１から供給される電流によって蛍光管１の両端のフィラメント４が加熱される。するとフィラメント４の近傍にある導電性の被膜始動補助導体５との間で微弱な予備放電が発生する。
これにより蛍光管１内部のインピーダンスが下がるため、磁気漏れ変圧器型安定器１０のコイルの自己誘導作用によりその変化を阻止する。

具体的には、スリットを有する鉄芯を局部的に磁気飽和させることにより、高いピークを持った二次電圧（キック電圧）が生じさせ、蛍光管の主放電を促し点灯する。比較的低い実効電圧で始動できるので、効率が良い。このようにラピッドスタート点灯方式では、点灯管を用いなくても高速点灯が可能となる。

図１のコンデンサ７は、進相コンデンサであり、抵抗１２と共に力率改善を行う。コンデンサ６は、放電時に発生するノイズがラジオ受信などに悪影響を及ぼすことを防止するためにつけられる雑音防止コンデンサである。

図２に示すのは、直列２灯式の点灯回路で「２灯直列逐次始動型」と呼ばれる。
繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図１におけると同一の符号を用いる。
２本の蛍光管１Ａ、１Ｂを直列に繋いで逐次点灯（シーケンス点灯）させる。一個の安定器で駆動できるので「１灯用の安定器を２個使ったもの」に比べコンパクトで経済的である。蛍光管および蛍光管に印可する電圧値は１灯式と同じである。

「始動時の動作」
スイッチ２を閉じると、磁気漏れ変圧器型安定器１０の予熱巻線９、１１、１３から供給される電流によって蛍光管１Ａ，１Ｂの両端のフィラメント４Ａ，４Ｂが予熱され、放電しやすい状態になる。
同時に磁気漏れ変圧器型安定器１０の１次側、２次側のコイルで昇圧された約２９０Ｖの２次電圧が、進相用コンデンサ７および始動用コンデンサ８を介して蛍光管１Ｂに印加されるが、始動用コンデンサ８が高インピーダンス状態であるため正常放電には至らず、フィラメント４Ｂの近傍にある導電性の被膜始動補助導体５Ｂとの間で微弱な予備放電を始める。

この予備放電電流により、高インピーダンスの始動用コンデンサ８に高い電圧降下が生じ、これが直ちに蛍光管１Ａに印加されて、蛍光管１Ａはすぐに被膜始動補助導体５Ａとの間で微弱な予備放電を始める。

２本の蛍光灯１Ａ，１Ｂが共に予備放電を始めると、これら蛍光灯のインピ-ダンスが急激に低下し、始動用コンデンサ８のインピーダンスより著しく小さくなるため、事実上始動用コンデンサ８は不動作となる。２本の蛍光灯１Ａ，１Ｂは直列に繋がり、正常な放電が始まって点灯する。

このように、２本の蛍光灯１Ａ，１Ｂを１灯ずつ予備放電させていくので（２灯直列逐次始動型）、２灯直列の照明を比較的低い二次電圧で点灯でき、コンパクトで経済的な安定回路を構成できる。

なお、コンデンサ６は、放電時に発生するノイズがラジオ受信などに悪影響を及ぼすことを防止するためにつけられる雑音防止コンデンサである。

この直列２灯式の点灯回路は、あくまでも「２灯１組で点灯」させる方式であるため、一方の蛍光管が切れてしまったり、節電のために１灯を外したりすると、残った１灯も点灯しなくなってしまう。

この様なラピッドスタート式蛍光灯灯具で、蛍光管をＬＥＤランプで代替するには「ラピッドスタート式蛍光灯に何ら改良、改造を加えず、蛍光管だけをはずして、ＬＥＤランプをそのまま装着し点灯できる方式」が好ましい。

近年、この様な要求を実現できるＬＥＤランプが市場に出回っている。
しかしながら「１灯式の蛍光灯灯具」に装着した場合は正常に点灯するが、直列２灯式の蛍光灯灯具に２本のＬＥＤランプを装着し、２灯１組で点灯させようとすると「１灯しか点灯しない」とか「２灯とも点灯するが両ランプの明るさが揃わない」といった不具合が起きている。その理由は次の様に説明できる。

図３は、ＬＥＤランプの一般的な回路構成を示した物である。
ブリッジ整流回路１４は、端子Ａ−Ｂ間に印加される交流電源を全波整流する機能を有し、例えば、図４に示す電圧波形の交流電源が印加された場合には、マイナス側の電圧がプラス側に折り返され、図５に示す波形に整流される。

図３に示す電解コンデンサ１５は、電圧波形を平滑化する機能を有し、例えば図５に示す波形は、図６に示すように平滑化され「擬似的な直流電圧」となる。

図３に示すＬＥＤドライバーＩＣ１６は、複数のＬＥＤにより構成されるＬＥＤ群１７に定電流を供給する機能を有する。

図３の回路を有するＬＥＤランプを点灯させる場合の動作について説明する。
１灯式灯具の場合、図３の端子Ａ−Ｂ間には、点灯時に約２９０Ｖの電圧が印加され、点灯中は「回路全体の消費電力から定まる電圧」が印加される。

一般的に、ＬＥＤドライバーＩＣ１６は「出力電流が少ない程、印加電圧が高くなる」という「負性特性」を有することが知られており、この負性特性のため「電圧と電流値を一様に減らす」ことが出来ない。このため、回路が正常駆動する電圧及び電流範囲の中で、消費電力が最小となる様に、ＬＥＤドライバーＩＣ１６の出力電流が設定される。

一方、直列２灯式の蛍光灯灯具の場合は、図３に示す回路が、直列に２つ接続された構成をとる(以下、回路１および回路２と称する。)。
このような直列２灯式の蛍光灯灯具の点灯手順に従えば、まず回路１に２９０Ｖの交流電流が印加され、その後、回路２には「２９０Ｖから回路１の印加電圧を差し引いた分」が印加される。このため、回路全体の消費電力が最小となる様にＬＥＤドライバーＩＣ１６の出力電流が設定されていると、回路１に「２９０Ｖの大半」が印加され、回路２には十分な電圧が印加されないことが考えられる。
この結果「回路１のＬＥＤ群しか点灯しない」不具合や「両者共に点灯するが互いの明るさが揃わない」などの不具合が発生する。

本発明は、上記不具合の発生を有効に防止できる固体発光素子ランプを提供する。
即ち、請求項１記載の固体発光素子ランプは「２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から電力供給を受けて点灯する固体発光素子ランプ」であって、以下の如き特徴を有する。
即ち、蛍光灯灯具に対して固体発光素子ランプを直列に２本繋いで電力供給したときに、それぞれの固体発光素子ランプに印加される電圧が「蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下で、各固体発光素子ランプが点灯可能な電圧」となるように、電流値を制御する電流制御手段を有する。
請求項１記載の固体発光素子ランプの有する電流制御手段は、固体発光素子ランプに印加される電圧が「２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下で、各固体発光素子ランプが点灯可能な電圧」となる電流値が複数ある場合、固体発光素子ランプの消費電力が最小となる電流値に制御することができる（請求項２）。
この発明の照明器具は「請求項１または２記載の固体発光素子ランプ」を用いることを特徴とする。

請求項１記載の固体発光素子ランプでは、２灯直列逐次始動形の蛍光灯灯具を用いて、固体発光素子ランプを確実に発光させ、かつ、両ランプの明るさを揃えることが出来る。
また、請求項２記載の固体発光素子ランプでは、固体発光素子ランプの消費電力を最小にすることが出来る。そして、請求項３の照明器具は、２本の固体発光素子ランプの確実で明るさの揃った発光により、良好な照明を行なうことができる。

ラピッドスタート１灯式蛍光灯灯具の基本回路図である。 ラピッドスタート直列２灯式蛍光灯灯具の基本回路図である。 ＬＥＤランプの一般的な回路構成図である。 交流電源の電圧波形を示す図である。 ブリッジ整流回路で全波整流された電圧波形を示す図である。 電解コンデンサで平滑化された電圧波形を示す図である。 直管型固体発光素子ランプの実施の１形態の全体概要図である。

図７に、ＬＥＤランプの実施の１形態を示す。
図７に示すＬＥＤランプは、ラピッドスタート式蛍光灯灯具に何ら改良、改造を加えず、取り付けて使用でき、ランプの大きさは既存のガラス水銀蛍光灯と同じである。

全体は、口金１８と本体１９で構成される。口金１８は「図示されない蛍光灯灯具から電源を導入する」ためのもので、ランプ両端に設置される。口金１８は、既存の蛍光灯のものと同形の端子ピン８を備え、既存の蛍光灯器具から電源を導入する機能とともに、ＬＥＤランプを蛍光灯灯具にホールドする機能を有する。
本体１９は発光源であるＬＥＤを発光させ、その光を外部に放射するもので、放熱フレーム２０と透光カバー２１、基板２２、基板２３から構成される。

放熱フレーム２０は、本体１９で発生した熱を大気中に放出するためのもので、例えばアルミニウムなどの熱伝導率の高い物質を成形して作製される。説明中の例においては軽量化のため、ハーフパイプ状の中空構造を採用している。

透光板カバー１９は、基板２２、基板２３を保護するためのもので、例えばアクリル樹脂やガラス、ポリカーボネートといった透光性を有する物質を成形して作製される。説明中の例においてはハーフパイプ状に成形されているが、他の形状でも良い。

基板２２は、ＬＥＤチップまたはパッケージ２４を実装するためもので、放熱フレーム２０と透光カバー２１によって形成される中空構造の内側で、かつ、発光面が透光カバー２１と対向する向きに配置される。一般的なＬＥＤ素子は、発光時に多量の熱を出すため、熱伝導率の高い材質を用いることが好ましい。

発光素子２４は、電気を光に変換するためのものでＬＥＤを用いる。
例えば、この発明の照明器具を一般照明用として使用する場合、ＬＥＤの発光色はＪＩＳＺ９１１２「蛍光ランプの光源色及び演色性による区分」の４．２「色度範囲」に規定された昼光色、昼白色、白色、温白色、電球色が好ましい。

基板２３は、ＬＥＤ２４の駆動回路を実装するためのもので、筐体内部で、かつ、発光素子からの光を遮らない位置に配置される。説明中の例では、放熱フレーム２０の中空構造の中に設置した。

ＬＥＤランプの回路構成は、図３に示すものが使用され、ＬＥＤ群１７は基板２２に、それ以外は基板２３に設置される。
ＬＥＤドライバーＩＣ１６の出力電流は、回路全体の消費電力のみから求めるのではなく、ＬＥＤランプに印加される電圧も加味して定める。
即ち、ＬＥＤランプに印加される電圧が、直列２灯式の蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下（で２本のＬＥＤランプが共に発光可能である電圧）となることを第１条件とし、第１条件が成立する電流範囲の中で「回路全体の消費電力が最小となる値」が選ばれる。

その結果、ＬＥＤランプは、直列２灯式の蛍光灯灯具に２灯１組で点灯させた場合でも、両ランプには十分な電圧が印加され、さらにはＬＥＤドライバーＩＣ１６によって電流値も等しく制御されているため、両ランプの明るさが揃う。

１ 従来のガラス水銀蛍光管
２ 照明スイッチ
３ ラピッド式安定回路
４ フィラメント
５ 皮膜始動補助導体
６ 雑音防止コンデンサ
７ 進相コンデンサ
８ 始動用コンデンサ
９ 予熱巻線
１０ 磁気漏れ変圧器型安定器
１１ １次コイルの巻線
１２ 抵抗
１３ 予熱巻線
１４ ブリッジ整流回路
１５ 電解コンデンサ
１６ ＬＥＤドライバーＩＣ
１７ ＬＥＤ群
１８ 口金
１９ 実施形態例の本体
２０ 放熱フレーム
２１ 透光カバー
２２ ＬＥＤ基板
２３ ＬＥＤドライバー基板
２４ ＬＥＤチップまたはＬＥＤパッケージ

Claims (3)

1. ２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から電力供給を受けて点灯する固体発光素子ランプにおいて、
   前記蛍光灯灯具に対して前記固体発光素子ランプを直列に２本繋いで電力供給したときに、それぞれの固体発光素子ランプに印加される電圧が、前記蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下で、前記各固体発光素子ランプが点灯可能な電圧となるように、電流値を制御する電流制御手段を有することを特徴とする固体発光素子ランプ。
2. 請求項１記載の固体発光素子ランプにおいて、
   電流制御手段は、固体発光素子ランプに印加される電圧が、２灯直列逐次始動型の蛍光灯灯具から出力可能な最大電圧の半分以下で、前記各固体発光素子ランプが点灯可能な電圧となる電流値が複数ある場合、固体発光素子ランプの消費電力が最小となる電流値に制御することを特徴とする固体発光素子ランプ。
3. 請求項１または２記載の固体発光素子ランプを有する照明器具。

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