JP2015069829A - 非接触給電式発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シートが持つ薄型、軽量という特徴を活かしつつ、高い発光輝度が得られる非接触給電式の発光装置を提供する。
【解決手段】
非接触給電式の発光装置１００は発光体１および電源装置２を備える。発光装置１００は交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シート１１、および発光シート１１の入力端に接続された２次コイル１２を備える。電源装置２は交流電圧を出力する電源部２１、および電源部２１の出力端に接続される１次コイル２２を備える。電源部２１が出力される交流電圧の周波数は、１次コイル２２および２次コイル１２の結合による漏れインダクタンスと、発光シートに固有の容量とによって２次側に形成されるＬＣ共振回路の共振周波数をターゲットとして設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触給電式の発光装置に関し、より詳しくは交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シートを用いた非接触給電式の発光装置に関する。

電磁誘導などを応用して非接触で給電装置から負荷に電力を供給する技術は昨今非接触給電としても注目され、各種の用途に実用化されている。たとえばスマートホンなどの携帯機器、シェーバなど電源端子の水濡れを嫌う機器などの充電回路に適用するとその効果が発揮される。最も一般的な非接触給電はたとえば特許文献１に開示されているように、１次コイルと２次コイルを磁気的に結合させるもので、平面状に巻いた１次コイル上に同じく平面状の２次コイルを重ね合わせることや、円筒状の１次コイルと同じく円筒状の２次コイルを同軸上に配置することで達成される。

また有機ＥＬのような発光素子においても非接触給電は可能であり、たとえば特許文献２はその一例である。特許文献２の例では、発光装置側に設けた２次コイルで受電した交流電力を、ダイオードとコンデンサを用いた整流・平滑回路で直流に変換した後、有機ＥＬ素子を発光させる方法が述べられている。

さらに特許文献３は交流駆動型のＥＬ素子に適用した例であり、比較的高電圧で動作するＥＬ素子を駆動するため、１次コイルと２次コイルの巻き数比を１：１０以上として非接触で給電を行うと同時に２次側に高い電圧を発生させている。

特開２０００−２１７２７９号公報 特開２０００−１６４３６４号公報 特開２００５−０７１８６６号公報

交流駆動型のＥＬ素子としてはたとえば分散型無機ＥＬがあり、一般的には実効値が１００〜２００Ｖ、周波数が４００〜２０００ Hzの交流電源で駆動される。特許文献３の場合では、２次コイルの巻き数を多くすることでこのような高い電圧を得ているが、２次コイルの巻き数が多くなると、発光素子の重量、体積が増加し、もともとフィルム状で薄型軽量が特徴であった分散型無機ＥＬの特徴が十分に発揮できないという欠点があった。１次側のコイルは、負荷が無い場合にも電源がショート状態にならないよう、ある程度のインピーダンスを確保するため、少なくとも１００回程度の巻き数が必要である。そうすると特許文献３のような構成では２次側の巻数が１０００回以上となり、受電回路が大型でかつ重くなってしまう。

また特許文献２のように有機ＥＬに適用する場合は、有機ＥＬが直流、低電圧（５Ｖ程度）で駆動できるため、上記のような問題は発生しない。しかし受電した電力は交流であるため、それを直流に変換する回路が必要なる。最も簡単な構成でも少なくとも一つの整流用ダイオードと、整流後の脈流を平滑するための容量（コンデンサ）が必要となり、特許文献２の例では有機ＥＬ素子の発光面積の５０％以上が整流・平滑回路で占められるとされており、発光性能上の課題が残る。

以上のようにこれら文献に記載された非接触給電技術では、負荷が直流駆動（通常は低電力機器）の場合は整流・平滑回路が必要であり、負荷が比較的高電圧で交流駆動が適する場合には、整流・平滑回路は不要だが２次コイルが大きくなり、どちらの場合もシート状の光源であるＥＬ素子に適用するとその薄型、軽量であるという特徴が十分に発揮できないという欠点があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シートが持つ薄型、軽量という特徴を活かしつつ、高い発光輝度が得られる非接触給電式の発光装置を提供することを目的とする。

本発明の発光装置は、発光体および電源装置から構成される。発光体は、交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シート、および発光シートの入力端に接続された２次コイルを備える。電源装置は、交流電圧を出力する電源部、および電源部の出力端に接続される１次コイルを備える。

ＥＬ素子は容量性負荷である。したがって、１次コイルと２次コイルの結合による漏れインダクタンスと発光シートに固有の容量によって２次側にＬＣ共振回路が形成される。したがって、この共振回路の共振周波数をターゲットとして交流電圧の周波数を設定することで、１次コイルと２次コイルの巻線比を上回る電圧比が得られ、発光シートを高輝度で発光させることができる。

そして、２次コイルを発光シートの外形サイズと同程度のサイズの空芯コイルで構成するとともに、該空芯コイルを発光シートの発光シートの裏面側に配置することにより、交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シートが持つ薄型、軽量という特徴を存分に活かした、小型の発光体が実現される。

電源装置の省エネおよび発光体の小型化を両立するために、１次コイルと２次コイルの巻線比は２：１〜１：３が好ましい。

１次側において、１次コイルにと直列にコンデンサが挿入されても良い。これによると、電源装置（１次側）から発光体（２次側）への電力伝送効率が向上し、省エネ性が高まる。

この発明によれば、交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シートが持つ薄型、軽量という特徴を活かしつつ、非接触給電によって高い発光輝度が得られる。

本発明に係る発光装置の一例を示す模式的斜視図である。 図２（Ａ）は発光装置を構成する発光体の表面側からの斜視図である。図２（Ｂ）は同発光体の裏面側からの斜視図である。 図２（Ｂ）におけるIII部の拡大平面図である。 図３におけるIV−IV線に沿った断面図である。 発光装置を構成する電源装置の内部構造を示す概略斜視図である。 発光装置の等価回路を示す図である。 発光装置の他の例の等価回路を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。本発明は、薄型、フレキシブルなシート状光源である交流駆動型ＥＬを用いた発光体を電源装置と非接触で駆動する発光装置に関するものである。以下の実施形態は、交流駆動型ＥＬとして分散型無機ＥＬを例に挙げて説明する。

＜第１の実施形態＞
図１に示すように、非接触給電式発光装置１００は発光体１および電源装置２から構成される。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、分散型無機ＥＬを用いた発光体１は、発光シート（分散型無機ＥＬ）１１、および発光シート１１の入力端に接続される２次コイル１２からなっている。発光シート１１は矩形の外形を呈し、表面側に発光面が形成される。発光シート１１の裏面側は非発光面となっている。なお、発光シート１１の外形は矩形に限られない。発光装置１００の用途に応じて適宜異なる外形のものを利用することが可能である。

分散型無機ＥＬの構造は公知であるが、例えば図４に示されるように透明電極層１１２を形成したＰＥＴフィルム基材１１１上に、発光層１１３、絶縁層１１４、および背面電極層１１５が順に積層された構成を備える。この発光シート１１は保護および絶縁のために保護フィルム１１６でシート全体がラミネートされる。

２次コイル１２の両端子はそれぞれ発光シート１１の１対の電極に接続されている。ここで容量性の負荷であり、交流電流で駆動される発光シート１１の容量をＣ（Ｆ）、２次コイル１２のインダクタンスをＬ（Ｈ）とする。なおここで２次コイル１２のインダクタンスＬは、１次コイル２２と２次コイル１２が結合した際の漏れインダクタンスに相当する。

図５に示すように、電源装置２は、周波数可変の交流電圧を出力する電源部２１、および電源部２１の出力端に接続される１次コイル２２から成っている。１次コイル２２は、フラットな載置面を有する、樹脂など非導体から成る給電ステージ２５に収容されてもよい。こうすると、１次コイル２２と２次コイル１２を結合させるために、給電ステージ２５上に発光体１を置くことができ、発光体１を保持していなくていいので利便性が高くなる。

１次コイル２２と２次コイル１２の巻数比には特に制約はないが、発光体１をできるだけ小型軽量にするため、３：１〜１：５程度、さらには２：１〜１：３が望ましい。２次コイル１２の巻数が１次コイル２２のそれの１／２（巻数比２：１）未満になると、電源装置２から発光シート１１が必要とする電圧を大きく超える電圧を供給する必要が生じ、望ましくない。また巻数比が１：３を超えると発光体１の寸法、重量が大きくなってしまう。

なお本発明においては１次コイル２２、２次コイル１２ともに空芯コイルとするのが望ましく、特許文献２または特許文献３に開示されているような磁性体コアを用いる必要はない。これは１次コイルと２次コイルの結合を緩くし、それによって生じた２次側の漏れインダクタンスを、共振回路を構成するＬとして利用するためである。このように本発明の構成では、非接触で給電される発光体１に不可欠の構成要素が空芯の２次コイル１２と共振用コンデンサを兼ねた発光シート１１のみなので、非接触で給電されるものでありながら発光体１の寸法、重量を大幅に削減することができる。

電源部２１が出力する交流電圧の周波数は、１次コイルおよび前記２次コイルの結合による漏れインダクタンス（Ｌ）と、発光シートに固有の容量（Ｃ）とによって２次側に形成されるＬＣ共振回路の共振周波数（ｆ_ｒ）をターゲットとして設定される（数１）。

この共振周波数から大きくはずれない範囲の周波数（±１５％程度以内）で１次コイルを駆動すると図６に等価回路を示すように２次側回路がＬＣ共振することによって１次電圧の数倍の電圧が発光シート１１に印加される。したがって１次コイル２２に対する２次コイル１２の巻数比が３以下で大きな昇圧効果を持たない場合でも、十分な電圧を分散型無機ＥＬの発光シート１１に加えることができ、高い発光輝度が得られる。共振周波数は、電源部２１から出力される周波数を変化させたときの発光シート１１の両端子間の電位差が最大になるときの周波数をターゲットとして設定することができる。

さらに２次コイル１２の巻数が１次コイル２２の巻数よりも小さい（たとえば１／２）場合であっても、２次側の電圧は共振効果によって電源電圧と同程度かそれ以上となり、発光シート１１は十分な輝度で発光可能である。この場合は２次コイル１２の巻数が少ないため、発光体１のサイズ、重量はさらに小さくなる。

また図７のように、１次側において、１次コイル２２と直列にコンデンサを挿入してもよい。この場合、１次コイル２２、２次コイル１２ともにＬＣ共振回路を構成することになり、伝送効率が向上することが知られている。

本発明の発光装置１００は以上のような特徴を持つので、電源装置２を壁に組み込み、分散型無機ＥＬシートを有する発光体１をポスター広告や掲示板などに用いると、配線を気にすることなく、あたかも紙のポスターを貼りかえるがごとく掲示する内容を変更できるなど従来にない表示デバイスを提供できる。或いは、電源装置２をテーブルに組み付け、分散型無機ＥＬシートを有する発光体１をレストランのメニューやパンフレットなどに用いると、テーブルにかざすと表示内容が光るなど意外性を持つ発光紙媒体を提供出来る。

次に、具体的な実施例を挙げて本発明による効果を実証する。

［実施例１］
発光シート１１として発光領域のサイズが２１０ｍｍ×２９７ｍｍの分散型無機ＥＬシートを用いた。分散型無機ＥＬシート１１は、図４に示すように、透明電極層１１２を形成したＰＥＴフィルム基材１１１上に、発光領域のサイズで発光層１１３、絶縁層１１４、背面電極層１１５をこの順に形成し、全体を保護フィルム１１６でラミネートしたものである。本例では、ＰＥＴフィルム基材１１１上の透明電極層１１２が発光領域のサイズよりひとまわり大きく形成されているのは、透明電極層１１２の周囲露出部に２次コイル１２と接続するための端子を形成するためである。端子が形成出来るエリアが確保出来れば、必ずしも発光シート１１の全周に透明電極層１１２が露出していることは必要でない。

２次コイル１２は、発光シート１１とほぼ同じ外形サイズで、芯径 0.315mmの絶縁銅線を平面的にｎ回巻いて発光シート１１の裏面（背面電極層１１５側の保護フィルム１１６の上）に貼り付けた。図３に示すように、２次コイル１２の一端は発光シート１１の透明電極層１１２に、もう一端は背面電極層１１５に接続した。図３において保護フィルム１１６は省略している。２次コイル１２が接続される、透明電極層１１２と背面電極層１１５の端子部は当該部分を覆う保護フィルム１１６を取り除いて形成される。

なお本実施例の発光シート１１の輝度の定格値は３００ cd/m2 （周波数1 kHz、実効値電圧 200Vで駆動時）であった。

１次コイル２２は２次コイル１２とほぼ同じ外形で平面的に８０回、絶縁銅線を巻いたものである。

表１に実施例１ａ〜ｃとして、２次コイル１２の巻数をそれぞれ２００回、１５０回、１００回とした場合について、１次側の印加電圧、２次側に発生した電圧、発光シート１１の発光輝度を示す。電源部２１から発生する交流の周波数は２次側の共振周波数をターゲットとして調整された。

２次側に発生する電圧、すなわち発光シート１１に印加された電圧は、１次コイル２２に対する２次コイル１２の巻数比以上に増幅されており、発光シート１１をほぼ定格の輝度で発光させることが可能であった。２次コイル１２の巻数が１次コイル２２の巻数の１．３倍の場合（実施例１ｃ）でも、定格の輝度で発光させることができた。

このように本実施例では、１次コイル２２に対する２次コイル１２の巻数比をそれほど大きくすることなく非接触で分散型無機ＥＬシートの発光に十分な電圧を発生できるので、薄型シート状という発光シート１１の特徴は保ちつつ電源供給線のないフィルム状発光デバイスを得ることができる。

［実施例２］
実施例１と同様だが、２９７ｍｍ×４２０ｍｍの発光領域を持つ発光シート１１を用いた。１次コイル２２、２次コイル１２の外形サイズも発光シートの外形にほぼ一致させた。また１次コイル２２の巻数は７０回とした。

表１に実施例２ａ〜ｃとして、２次コイル２２の巻数をそれぞれ２１０回、１２０回、４２回とした場合について、１次側の印加電圧、２次側に発生した電圧、発光シート１１の発光輝度を示す。電源部２１から発生する交流の周波数は２次側の共振周波数をターゲットとして設定された。

本実施例においても、２次コイル１２の１次コイル２２に対する巻数比が１以上の場合には、２次側に発生する電圧は巻数比以上に増幅されており、発光シート１１をほぼ定格の輝度で発光させることが可能であった。また２次コイル１２の巻数が１次コイル２２の巻数の０．６倍の場合（実施例１ｃ）でも、定格の輝度で発光させることができた。

［比較例１ａ、２ａ］
実施例１ａ、２ａにおいて駆動周波数を共振周波数よりも低下させた場合と、増大させた場合とで同様の測定を行った。駆動周波数は、共振周波数の±１５％を目処に調整される。周波数を増大させる場合は低下させる場合よりも変化割合が大きくなっているが、これは周波数の上昇によって輝度が増加する効果があるためで、その分より２次側の電圧が低下するところまで周波数を変化させる必要があるためである。

表１の比較例１ａ、１ｂに示すように２次側に十分な電圧が発生せず、発光輝度は対応する実施例１ａ、２ａに対して半減した。

［実施例３、比較例３］
実施例１と同様の構成において、１次コイル２２と電源部２１との間に、１次コイル２２と直列に静電容量４７０ｎＦのコンデンサ２３を挿入した（図７参照。）。１次コイル２２の巻数は８０回、２次コイル１２の巻数は２５０回とし、駆動周波数は電源側から見た２次側回路の共振周波数をターゲットとして設定された。比較例３は１次コイル２２と直列のコンデンサ２３がない場合である。

表１の実施例３、比較例３に示すように、１次側電圧に対する２次側電圧の昇圧比は、コンデンサ２３を挿入するとやや低下したが、入力電力（電源部２１が供給する電力）は２０％近く低下し、省エネ性が向上した。

なお、電源部２１から発生する交流の周波数を２次側の共振周波数をターゲットとして設定する方法としては、発光シート１１の端子間に発生する電圧、あるいは発光輝度が最大となるように調整すればよいことは以上のデータから明らかである。発光輝度が最大になるときは電源部２１から１次コイル２２に供給される電力が最大になることと等価であるので、電源部２１に供給電力が最大になるように駆動周波数を自動調整する機能を持たせれば、自動的に共振周波数で動作させることができる。またこのような機能を持っていれば、負荷となる発光シート１１のサイズ、特性が変わっても常に共振周波数で動作させることができる。

特に本発明の発光装置では、負荷となる発光シート１１が電源部２１と分離しているという特徴から、サイズ、すなわち容量が異なる複数種の発光シートを取り換えて点灯させたいという場合も想定されるが、そのような場合であっても上述したような自動周波数調整機能を保持していれば、常に最大輝度で発光させることができる。

自動周波数調整機能は、必ずしも電源部２１の供給電力を最大にすることのみで実現されるわけではなく、その他の方法で実現してもよい。またこのような周波数調整機能で負荷が存在しないと判定された場合には、電源部２１の動作を停止して省電力化を図ることもできる。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００…発光装置
１…発光体
１１…発光シート
１１１…ＰＥＴフィルム基材
１１２…透明電極層
１１３…発光層
１１４…絶縁層
１１５…背面電極層
１１６…保護フィルム
１２…２次コイル
２…電源装置
２１…電源部
２３…コンデンサ
２５…給電ステージ

Claims (4)

1. 交流駆動型ＥＬ構造を有する発光シート、および該発光シートの入力端に接続された２次コイルを備える発光体と、
   交流電圧を出力する電源部、および該電源部の出力端に接続される１次コイルを備える電源装置と、
   から構成される非接触給電式の発光装置において、
   前記電源部が出力される交流電圧の周波数は、前記１次コイルおよび前記２次コイルの結合による漏れインダクタンスと、前記発光シートに固有の容量とによって２次側に形成されるＬＣ共振回路の共振周波数をターゲットとして設定されることを特徴とする発光装置。
2. 前記２次コイルが、前記発光シートの外形サイズと同程度のサイズの空芯コイルで構成され、当該２次コイルが、前記発光シートの裏面側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記１次コイルと前記２次コイルの巻線比が２：１〜１：３であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記１次コイルと直列にコンデンサが挿入されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光装置。