JP2012204091A - 固体発光素子ランプ及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のインバーター式蛍光灯器具に何ら改良、改造を加えることなく蛍光管に代えて取付使用でき、インバーター式蛍光灯器具が段階的に供給電圧を低下させても点灯を維持でき、改良・改造による経済的無駄をなくすことができるとともに、汎用性の向上に寄与できる固体発光素子ランプを提供する。
【解決手段】蛍光灯と同じ直管形の固体発光素子ランプ（ＬＥＤランプ）内に配置された回路構成において、電圧監視用IC４４は、コンデンサー３３の両端にかかる擬似的な直流電圧を監視し、LEDランプの点灯維持に必要な電流量を算出する。算出された電流値以上の電流量を流すように、信号線４５を介してLEDドライバーIC３４に指示する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蛍光灯（蛍光ランプ、蛍光管と同義）を点灯する蛍光灯器具に改良、改造を加えずに蛍光灯に代えて取付使用することが可能な直管形の固体発光素子ランプ、該固体発光素子ランプと蛍光灯器具とを備えた照明装置に関する。

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もので、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、接種すると体内に蓄積して神経障害を引き起こすことが報告されている。
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。

このような状況を鑑みて、蛍光ランプよりも寿命の長いLEDを光源に利用した照明装置が提案されている（特許文献１、２）。一般的なLEDの寿命は40000時間以上とされ、交換の手間を大幅に減らすことができる。さらに水銀などの有害物質を含まないことから、環境に優しい照明装置としても認知され始めている。
近年、蛍光灯の点灯方式として、インバーターを利用した高周波点灯方式が広く採用されている。このようなインバーター式蛍光灯器具は、50または60Hzの商用交流電源を一旦直流電源に変換し、さらに20〜50KHzの高周波電源に変換して蛍光灯を点灯させるため、従来の商用電源周波数を利用した点灯方式と比べて、チラツキが無くて目に優しく、また発光効率が良いため明るいといった利点がある。

図３はインバーター式蛍光灯器具に用いられる点灯回路を模式的に表したもので、整流回路1、高周波電圧発生回路2、蛍光灯3、スイッチ4に大別される。以下、整流回路1と高周波電圧発生回路2の構成及び作用について説明する。
整流回路１は、図４に示すように、ダイオード５、６、７、８と、コンデンサー９とから構成され、交流電源を直流電源に変換する役目を持つ。例えば図３に記載したスイッチ４を閉じて、図５に示すような電圧波形の交流電源が端子AB間に印加されると、ダイオード５、６、７、８によってマイナス側の電圧がプラス側に折り返され、図６に示すような波形に整流される。そしてコンデンサー９によって電圧変動が平滑化され、図７に示すような擬似直流電圧となる。

図８は高周波電圧発生回路２の構成を示したもので、直流電源の電圧を下げるための降圧回路１０、起動回路１１、発振回路１２とからなる。
降圧回路１０は、抵抗１３、ツェナーダイオード１４、コンデンサー１５とからなり、電源投入後からツェナーダイオード１４の印加電圧がツェナー電圧に到達するまでの期間は、抵抗１３を介してコンデンサー15を充電し、ツェナー電圧に到達した後は、ツェナー電圧の定電圧源として機能する。
起動回路１１は、ダイオード１６と抵抗１７の直列回路からなる。ダイオード１６にはツェナーダイオード１４のツェナー電圧が供給されており、抵抗１７はダイオード１６のカソードと整流回路１の出力との間に接続されている。

発振回路１２は、トランジスタ１８、１９、ダイオード２０、２１、共振コンデンサー２２、トランス２３とからなる。トランス２３の中間タップには端子Cからの電圧が供給されている。
トランジスタ１８、１９のベースには、トランス２３の帰還巻線２４の一端が接続され、さらに抵抗25,26を介して起動回路１１のダイオード１６とも接続されてバイアス電流が供給される。トランス２３の２次巻線２７には蛍光灯３が接続されており、高周波電圧が印加されることにより蛍光灯３はフィラメントの予熱と点灯を行う。

電源投入直後は抵抗１７を介してトランジスタ１８、１９にベース電流を供給する。トランジスタ１８、１９の何れか一方（本説明においては１８と仮定する。）が起動し、トランジスタ１８のコレクタ電流が流れ出す。それによりトランス２３の１次巻線２８を流れる電流が変化し、帰還巻線２４に起電圧が誘起される。
この起電圧によりトランジスタ１８のベース電流が増加する。このベース電流の増加に伴いトランジスタ１８のコレクタ電流が益々増加し、これにより起電圧が大きくなり、トランジスタ１８のベース電流を益々増加させる。この動作を繰り返すことによりトランジスタ１８は急速に飽和状態に達する。
一方、これに対してトランジスタ１９は急速に非活性状態に達する。

トランジスタ１８が飽和状態に達すると、コレクタ電流の変化が生じなくなり、帰還巻線２４に誘起される起電圧も小さくなる。このため、ベース電流が減少し、トランジスタ１８が能動状態に戻る。ベース電流の減少に伴いトランジスタ１８のコレクタ電流が減少し、これにより帰還巻線２４に逆方向の起電圧が誘起される。この起電圧によりトランジスタ１９にベース電流が流れ出す。このベース電流によりトランジスタ１９は非活性状態から能動状態に遷移し、トランジスタ１９にコレクタ電流が流れ始める。このコレクタ電流の変化により起電圧が益々大きくなり、上記と同様にトランジスタ１９が急速に飽和状態に達する。
一方、これに対してトランジスタ１８は急速に非活性状態に達する。

トランジスタ１９が飽和状態に達すると、コレクタ電流の変化が生じなくなり、帰還巻線２４に誘起される起電圧も小さくなり、ベース電流が減少してトランジスタ１８が能動状態に戻る。
ベース電流の減少に伴いトランジスタ19のコレクタ電流が減少し、これにより帰還巻線２４にさらに逆方向の起電圧が誘起される。この起電圧によりトランジスタ１８にベース電流が流れ出す。このベース電流によりトランジスタ１８は非活性状態から能動状態に遷移し、トランジスタ１８にコレクタ電流が流れ始め、上述の動作を繰り返す。
このような一連の動作を繰り返すことにより、トランジスタ１８、１９が発振動作をする。

このように、トランジスタ１８、１９が飽和状態と非活性状態とを繰り返すことにより得られる発振電圧は、直流バイアス電流に依存する。電源投入当初は抵抗１７を介して供給されるが、ツェナーダイオード１４のカソード電圧が徐々に上がり、ツェナー電圧に到達した後は直流バイアス電流も徐々に増加する。すなわちトランジスタ１８、１９の発振と直流バイアス電流の増加に伴い、発振出力も大きくなる。
これら一連の動作により、電源投入当初はトランス２３の２次巻線２７に誘起される起電圧も低く、蛍光灯はフィラメントの予熱のみを行うが、その後、起電圧が上がり放電電圧に達すると、蛍光灯は点灯を開始する。

このようなインバーター式蛍光灯器具をLEDランプで代替するには、インバーター式蛍光灯器具に何ら改良、改造を加えず、蛍光管だけを外して、LEDランプをそのまま装着し、点灯できることが既存設備の利用の観点から好ましい。
近年、このような要求を実現できるLEDランプが市場に出回っているが、一定時間点灯させると、利用者の操作に関わらず消灯する不具合が起きている。その理由は次のように説明できる。

図９は、LEDランプの一般的な回路構成を示している。ダイオード２９、３０、３１、３２とコンデンサー３３は、端子EまたはFとGまたはHの間に印加される交流電源を擬似的な直流電源に変換する役目を持つ。
次にLEDドライバーIC３４は、LED群３５に定電流を供給する役目を持ち、LEDの明るさを一定に保つ。LED群３５は複数のLEDから構成され、コンデンサー３３から供給される擬似的な直流電圧と、LEDドライバーIC３４から供給される定電流を電力源として点灯する。

図１０は、インバーター式蛍光灯器具から供給される電圧の時間変化を示した特性図である。電源投入直後は、蛍光管の放電に必要な高電圧を供給(時刻T1の電圧V1)するが、その後は蛍光管の点灯が維持できる範囲で段階的に電圧を落としていく(時刻T2の電圧V2、時刻T3の電圧V3)。
既に説明したように、LEDドライバーIC３４はLED群３５に定電流を供給するため、インバーター式蛍光灯器具からの供給電圧が低下すると、LED群３５に供給される電力も低下する。その結果、LEDの点灯維持には電力不足となり、LEDランプが消灯する。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、既存のインバーター式蛍光灯器具に何ら改良、改造を加えることなく蛍光管に代えて取付使用でき、インバーター式蛍光灯器具が段階的に供給電圧を低下させても点灯を維持でき、改良・改造による経済的無駄をなくすことができるとともに、汎用性の向上に寄与できる固体発光素子ランプの提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、蛍光管の点灯時間に応じて、前記蛍光管に印加する電圧を変化させる蛍光灯器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、前記固体発光素子ランプの印加電圧を監視し、該印加電圧に応じて、前記固体発光素子ランプの電流量を制御する電流制御手段を有することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体発光素子ランプにおいて、前記電流制御手段は、前記固体発光素子ランプの印加電圧から、点灯に必要な電力を得るための電流値を求め、前記電流値以上となるようにに電流量を制御することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、照明装置において、請求項１または２に記載の固体発光素子ランプと、前記蛍光灯器具とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、既存のインバーター式蛍光灯器具に改良、改造を加えることなく蛍光灯に代えて取付使用できるとともに点灯を維持できる直管形のLEDランプを実現でき、改良・改造による経済的無駄をなくすことができるとともに、LEDランプの汎用性を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る固体発光素子ランプとしてのLEDランプの分解斜視図である。 同LEDランプの回路構成図である。 インバーター方式の蛍光灯器具の基本ブロック図である。 整流回路の基本回路図である。 交流電源の電圧波形である。 整流後の電圧波形である。 擬似的な直流電源の電圧波形である。 高周波電圧発生回路の基本回路図である。 一般的なＬＥＤランプの回路構成図である。 インバーター式蛍光灯器具の電圧変化を示す特性図である。

以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。なお、本発明の固体発光素子ランプの取付対象であるインバーター式蛍光灯器具の回路構成は図９で説明したものと同様であるので省略する。
図１に、本実施形態に係る固体発光素子ランプとしてのLEDランプ（以下、単に「LED」ともいう）の一例を示す。本実施形態に係るLEDランプは、従来のインバーター式蛍光灯器具に何ら改良、改造を加えずに、蛍光灯の代わりとして用いることができる直管形のLEDランプであり、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３６と本体３７とで構成される。口金３６は、インバーター式蛍光灯器具からLEDランプに電源を導入するためのもので、本体３７の両端に設置される。

口金３６は既存の蛍光灯と同形の端子ピン３８を備え、端子ピン３８は既存の蛍光灯器具から電源を導入するとともに、LEDランプを蛍光灯器具にホールドするための役割を持つ。本体３７はLEDを発光させその光を外部に放射するためのもので、放熱フレーム３９と透光カバー４０、基板４１、基板４２とから構成されている。
放熱フレーム３９は、本体３７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られる。本実施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４０は、基板４１、基板４２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られる。本実施例においてはハーフパイプ状に成形されているが、任意の形状でも良い。

基板４１は、LED４３を実装するためもので、放熱フレーム３９と透光カバー４０によって形成される中空構造の本体３７の内側で、かつ、発光面が透光カバー４０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。
ＬＥＤ（発光素子）４３は、電気を光に変換するための固体発光素子である。例えば、本実施形態のLEDランプを用いた照明装置を一般照明として使用する場合、LED４３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４２は、LED４３の駆動回路を実装するためのもので、筐体（本体３７）内部で、かつ、発光素子からの光を遮らない場所に配置される。本実施例では、放熱フレーム３９の中空構造の中に設置されている。

本実施形態においては図２に示す回路が使用され、LED群３５は基板４１に、それ以外は基板４２に設置される。図９に示した回路との違いは、コンデンサー３３の両端に電圧監視用IC４４を追加したこと、そして信号線４５を介して、電圧監視用IC４４とLEDドライバーIC３４とを接続したことである。

電圧監視用IC４４は、コンデンサー３３の両端にかかる電圧、すなわち擬似的な直流電圧を監視し、LED群３５に通電すべき電流量を決定する役目を持つ。
LEDランプの点灯維持に必要な電力は、構成部品の電気的特性を用いて見積もることができるため、電圧監視用IC４４には事前に見積もった電力を設定しておき、電圧監視用IC４４は、電圧と電流量の積が電力であることを利用して、コンデンサー３３の両端にかかる電圧からLEDランプの点灯維持に必要な電流量を算出する。
そして算出された電流値以上の電流量を流すように、信号線４５を介してLEDドライバーIC３４に指示する。LEDドライバーIC３４は、電圧監視用IC４４から指示された電流量がLED群３５に通電されるように電流制御を行う。
その結果、本実施形態のLEDランプは、インバーター式蛍光灯器具が段階的に供給電圧を下げてきても、点灯に十分な電力を確保することができ、点灯が維持される。
本実施形態では、電圧監視用IC４４、信号線４５及びLEDドライバーIC３４により、電流制御手段が構成される。

図示しないが、本発明に係る照明装置は、例えば図９に示した回路構成を有する従来のインバーター式蛍光灯器具と、上記実施形態に係るLEDランプとから構成される。

３４ 電流制御手段の一部としてのLEDドライバーIC
４４ 電流制御手段の一部としての電圧監視用IC
４５ 電流制御手段の一部としての信号線
３ 蛍光灯

特開２００６−２１０８３６号公報 特開２０１０−２３８６６１号公報

Claims (3)

1. 蛍光管の点灯時間に応じて、前記蛍光管に印加する電圧を変化させる蛍光灯器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、
   前記固体発光素子ランプの印加電圧を監視し、該印加電圧に応じて、前記固体発光素子ランプの電流量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に記載の固体発光素子ランプにおいて、
   前記電流制御手段は、前記固体発光素子ランプの印加電圧から、点灯に必要な電力を得るための電流値を求め、前記電流値以上となるようにに電流量を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に記載の固体発光素子ランプと、前記蛍光灯器具とを備えた照明装置。

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