JP3063067U - 携帯用電気ライト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改良された電気ライトを提供する。 【解決手段】 携帯式電気ライトは、ハウジングと、電
力源とを含み、高い内部抵抗を有するＬＥＤを光源とし
て有する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の分野】

この考案は携帯用電気ライトに関し、特にトーチ（torch ）および懐中電灯な どに関する。

【０００２】

【考案の背景】

発光ダイオード（ＬＥＤ）は光源として周知のものである。電力を光に変換す る点では白熱電球よりも効率が良いが、ＬＥＤは一般には低い強度の光しか発光 できない。ＬＥＤは（飛行機または車道の自動車などにおける）計器板の表示灯 または警報灯として広く用いられている。ＬＥＤは最近では、車道を使用してい る他の人にサイクリング中の者がいることを警告する役割を果たす、自転車の明 かりの光源やキーホルダーの明かりとしても用いられている。

【０００３】 このようにＬＥＤは一般に「受動的な」照明に用いられ、ＬＥＤから発光した 光は観察者の目に実質的に直接入り、観察者に（たとえばオンまたはオフである といった）ＬＥＤに関する情報を送るようにする。ＬＥＤが「能動的な」照明に 用いられることは滅多にないが、この場合、ＬＥＤから発光した光は物体に当た り、反射するか、さもなければ物体から観察者まで再度方向づけられ、ＬＥＤで はなく物体に関する情報を観察者に与えるようにする。この理由には、既に説明 したようにＬＥＤから発光した光の強度が低いことと、たとえばＬＥＤの製造者 が規定する最大値を超える電流および／または電圧にＬＥＤが晒されること（Ｌ ＥＤが「オーバーランする（overrunning ）」こと）によって損傷を受けやすい というＬＥＤのデリケートな性質とが挙げられる。ＬＥＤのオーバーランは、Ｌ ＥＤの燃焼または故障の原因となるか、さもなければ実質的にＬＥＤの寿命を短 縮化してしまうおそれがあるため回避すべきであることは当業者には周知である 。

【０００４】

【考案の概要】 第１の局面において、この考案は、ハウジングと、電力源とを含み、高い内部 抵抗（すなわちおよそ５０ｍＡの電流において１０Ωよりも大きな内部抵抗）を 有するＬＥＤを光源として有する、携帯用電気ライトを提供する。好ましくは、 ＬＥＤの内部抵抗は１１Ωよりも大きく、より好ましくは１２Ωよりも大きく、 最も好ましくは１３Ωよりも大きい。

【０００５】 本願の考案者は、高い内部抵抗を有するＬＥＤは、故障したりＬＥＤの寿命を 実質的に短縮することなく、製造者の規定する最大電圧または電流レベルをかな り超えてオーバーランし得るという驚くべきことを見出した。このようにオーバ ーランしたＬＥＤは従来よりもはるかに多くの光を発光することができるため、 この考案に従う電気ライトを能動的な照明に有用に採用することができる。

【０００６】 従来の多くのＬＥＤの内部抵抗は、この考案に従う電気ライトに有用に用いる には低すぎる（たとえば５０ｍＡの電流において約９Ω）。しかしながら、この 考案のライトに用いるための適切な多くのＬＥＤが入手可能である。好ましくは 、ＬＥＤは波長の広域スペクトルを発光するものである。ＬＥＤは好都合には、 実質的に白または知覚できる薄い青色を伴った白として観察者に知覚される光を 発光する。

【０００７】 人間の目は暗闇の中では青い光に対して感度がより高くなるように適用するた め、少なくともいくらかの青い光の波長を発光する電気ライトは、より長い波長 を有する同じ強度の可視光よりも高い輝度で観察者によって知覚されることとな る。

【０００８】 この考案のライトに使用するのに特に好ましいＬＥＤは日本のNichia社（郵便 番号７７４徳島県阿南市上中町岡４９１）によって製造されているＬＥＤモデル 番号ＮＳＰＷ ３１０ＡＳである。

【０００９】 電力源は、ＬＥＤに用いるのに適するように処理された（たとえば降圧変圧器 によって電圧が降圧され直流電流に変換された）、たとえば主供給装置からの交 流入力を含み得る。好ましくは、電力源は最初から直流出力を与える。これは好 ましくは、（たとえば当業者に周知であるボタン電池またはリチウム電池などの ）１つまたはそれ以上の電気化学的乾電池を含む。単一電池か、または直列また は並列に配置され得る複数の電池のいずれかが提供され得る。特に好ましい組合 せは、１つまたは２つのNichia社のＮＳＰＷ ３１０ＡＳのＬＥＤを駆動するた めに用いられる２つまたは３つのボタン電池である。

【００１０】 好ましくは、この考案の電気ライトは高い内部抵抗を有する複数のＬＥＤを含 む。好都合には、直列または好ましくは並列に配置され得る２つまたは３つのこ のようなＬＥＤが提供され得る。

【００１１】 最も好都合には、この考案の電気ライトはトーチまたは懐中電灯などの手持ち 式ライトの形態である。小さなサイズのＬＥＤ光源および（リチウム電池などの ）適切な電池を選択することにより、使用者の掌の中に快適に収まる非常に小型 な構成が可能になる。特に、ズボンまたはジャケットのポケットの中に容易に収 めることができる、横方向に平らな形状が好ましいであろう。これに代えて、ラ イトは（壁または棚などの）面にライトを取付けるための（ねじまたはフックな どの）取付手段を備えてもよく、または土の中に埋めるためのスパイクを備えて もよい。

【００１２】 この考案のライトのＬＥＤは従来のＬＥＤのしきい電圧よりも高いしきい電圧 を有することがさらに好ましい。しきい電圧は当業者には理解できる用語であり 、それ未満ではごく僅かな光しか発光されない、ＬＥＤに印加される電圧のこと を意味する。従来の多くのＬＥＤの場合、しきい電圧は典型的にはおよそ２ボル トである。これとは対照的に、この考案のライトに使用するＬＥＤの場合、しき い電圧は好ましくは、しかし本質的にではないが、約３ボルト以上であろう。

【００１３】 以下に、添付の図面を参照してこの考案を例によってさらに説明する。

【００１４】

【詳細な説明】

例 本願の考案者は、ＬＥＤの中には動作不能になったりＬＥＤの寿命を大幅に短 縮化することなくオーバーランし得るものがあることを思いがけず発見した。こ の発見をうまく特徴づけるために、日本のNichia社から入手可能であるＮＳＰＷ ３１０ＡＳのＬＥＤを用いていくつかの研究が行なわれた。

【００１５】 最初のテストは低い直列抵抗を有する電力源を備えたＬＥＤを用いて行なわれ たが、ＬＥＤの直列内部抵抗自体は採用したテスト回路の電流を制限するのに十 分であったことがわかった。

【００１６】 例１ 照度出力結果 Nichia社のＬＥＤの電流、電圧および光レベルが種々の電流値に関して測定さ れた。この結果は図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示される。電流が約７０ｍＡか ら上向きに増加すると、色が大きく変化する。これは明るい白から薄い青への色 合いの変化として見られる。３つの異なった標本に対してこの結果が繰返され、 すべて同じ結果がもたらされた。ＬＥＤと光度計（ミノルタ（Minolta ）社のル クスメータ）との間隔は２５ｍｍであった。

【００１７】 そのルクス出力によって照明能力が測定された（照明環境は典型的に５００ル クスから８００ルクスである）。このタイプの測定には種々の色に対する目の反 応が考慮される。

【００１８】 テストの結果、ルクスは電流とともに増加し、水平になった後降下し始めたこ とがわかった。これは、目が使用する照明源として作用する能力は実際には約７ ５ｍＡを超えると悪化することを意味する。これは、ＬＥＤの光出力の合計が減 ることを意味するのではなく、スペクトルのうち青の端部に向かうシフトがあり 、目は青の波長に対して感度が低いため、ルクス値が下がることを意味する。

【００１９】 例２ 光スペクトル結果 さまざまなＬＥＤ電流に対して光スペクトルが測定された。これらは可視スペ クトル全体にわたって、相対的な出力パワーが波長によっていかに変化するかを 示す。結果（データは示されない）には、スペクトルの青の端部における電力の スパイクと、赤の端部にまで及ぶ広い水平部分とが示された。ＬＥＤと分光光度 計との間の間隔は３ｍｍであった。分光光度計はOcean OpticsのＰＣ１０００− ４デバイスであった。

【００２０】 グラフの一般的な傾向としては、電流が約７０ｍＡまで増加するにつれて相対 的な出力が増加し、レベルは水平部分に達した後、さらに電流が増加すると降下 する。スペクトルの形状もまた変化し、５００ｎｍと６００ｎｍとの間の帯域は 電流の増加とともに抑制される。青へのシフトは、スペクトルのうち緑および赤 の部分の抑制によるとも説明できる。

【００２１】 スペクトルの各々におけるすべての波長のパワーを統合することにより、放出 したパワーの合計は図２に示されるようなものになった。これは頂点および水平 部が実際に降下したことを示す。頂部は約９０ｍＡの駆動電流のときに得られる 。図１のルクス結果よりもこの場合の方が僅かに高いのは、ルクス値にはスペク トルの緑領域における目の反応に頂点を考慮にいれているからである。

【００２２】 駆動電流の範囲にわたる特定的な波長の性能をプロットすることにより同じデ ータに関する別の図を得ることができる。図３は、４７５ｎｍおよび５５０ｎｍ に関するプロット図を示す。結論としては、５５０ｎｍの反応は８０ｍＡにおい て頂点に達し、４７５ｎｍの場合パワーは増加し続けることが挙げられる。

【００２３】 例３ 従来の緑ＬＥＤによる出力結果 比較テストのために、低い内部抵抗を有する従来の緑ＬＥＤが選ばれた。白Ｌ ＥＤの場合と同じ組の情報が緑ＬＥＤに対しても集められた。これにより全体的 には同じ電気性能が示されたが、しきい電圧はむしろ低く、抵抗は勾配を有して いた。光学的に、色は純粋な緑であった。ルクスレベルは約１３０ｍＡで頂点に 達したが、レベルは白ＬＥＤの場合よりもおよそ２のファクタだけ低かった。結 果は図４および図５に示される。

【００２４】 例４ 寿命テスト Nichia社の白ＬＥＤが最大で２５０ｍＡまでのさまざまな電流で動作された。 この時点で装置は熱移動が起こったかのようにパルスオフおよびオン（pulse of f and on）し始めたが、これは単に、比較的高い動作電流によって引き起こされ た高温によってワイア接続が切断されるようになることによると考えられる。こ の電流で動作されたデバイスにさらにテストを行なうと、それは損傷を受け、そ の出力は７０ｍＡのテスト電流で約５０％減った。

【００２５】 １００ｍＡにおける２４時間にわたる連続動作による長期間のテストが行なわ れた。これにより、レベルおよび色の両方の点において光出力は少ししか変化し ないことがわかった。端子電圧への影響もなかった。

【００２６】 例５ バッテリのテスト 上記のテストはすべて使用された電池で行なわれ、電池の条件およびそれらの 残容量は知られていなかった。

【００２７】 ５．１ 単一のボタン電池 これらは開回路で１００Ωの負荷によってテストされた。結果は悪く、かなり 電圧が降下し、出力は適切に安定化せず、電圧はかなり迅速に下がり続けた。負 荷を取除くと、開回路の電圧が回復するまでほぼ１分間かかった。テスト結果は 下記のとおりである。

【００２８】 開回路電圧 典型的に３．０１Ｖ 負荷電圧をオン ２秒後に平均して２．５５Ｖ これにより、有効なバッテリ直列抵抗は１８Ωであると計算することができる 。

【００２９】 ５．２ ３つのボタン電池のパック この場合負荷によって出力電圧が非常に著しく降下した。テスト結果は下記の とおりである。

【００３０】 開回路電圧 ８．９９Ｖ 負荷電圧をオン ２秒後に４．４Ｖ、１００Ωの負荷 これにより、有効なバッテリ直列抵抗は１０４Ωであると計算することができ る。これが３つの電池によって共有されると、各電池の直列抵抗は３５Ωとなる 。この場合バッテリのパワーのうち半分より多くがバッテリ自体において損失さ れる。

【００３１】 白ＬＥＤによって行なわれたテストにより、引き出された電流は約１１０ｍＡ であることが示されたが、これは迅速に降下していた。

【００３２】 ５．３ 平らなリチウム電池で３Ｖのもの 開回路電圧 ３．２２Ｖ 負荷電圧をオン ２秒後に３．０６Ｖ、１００Ωの負荷 これにより、有効なバッテリ直列抵抗は５．２Ωであると計算することができ る。これはボタン電池の場合と比較すると良い結果をもたらした。

【００３３】 白ＬＥＤによって行なったテストにより、引き出された電流は約８ｍＡであり 、バッテリ電圧の降下は３．１７Ｖであることがわかった。

【００３４】 ５．４ 平らなリチウム電池で６Ｖのもの 開回路電圧 ６．３６Ｖ 負荷電圧をオン ２秒後に５．８５Ｖ、１００Ωの負荷 これにより、有効なバッテリ直列抵抗は８．７Ωであると計算することができ る。これもまたボタン電池と比較すると良い結果をもたらした。

【００３５】 白ＬＥＤによって行なったテストにより、引き出された電流は約１１５ｍＡで あり、バッテリ電圧の降下は５．１７Ｖであることがわかった。

【００３６】 バッテリの分析 上記の電池テスト結果は、バッテリおよびＬＥＤの最適な組合せを評価するた めに用いることができる。この方法は負荷ライン分析と呼ばれ、図６に示される 。任意の所与の電池出力電圧がＬＥＤ電圧／電流のグラフと交わる点はその組合 せに対する動作点を表わす。グラフにより下記の動作点がもたらされる。

【００３７】 ２×ボタン電池 ６０ｍＡ ３×ボタン電池 ５０ｍＡ ３Ｖの平らなリチウム電池 １０ｍＡ ６Ｖの平らなリチウム電池 １５０ｍＡ これらの結果は理論的に、電池の出力抵抗に関する抵抗を推定することに基づ く。実際にこれは、負荷電流の増加とともに増加する有効な抵抗の場合には当て はまらない。しかしながらこの結果は、いかにしてＬＥＤを最適に駆動すべきか に関する選択肢を与えるために用いることができる。

【００３８】 上記の結果から、３×ボタン電池の性能は電池自体の中でパワーの損失が起こ るために劣っているように思われ、３Ｖのリチウム電池は端子電圧および結果が 低すぎるため最適には及ばず、恐らく６Ｖのリチウム電池もまた、最適な動作状 況よりも低い光出力を有する電流をもたらすため最適には及ばない。２×ボタン 電池が合理的な妥協点であるように思われる。

【００３９】 結論 この作業により下記の結論が得られる。

【００４０】 装置に関する最大連続電流は２５ｍＶであるが、結果として損傷が引き起こさ れたものの装置は２５０ｍＡまで動作し続けることがわかった。

【００４１】 電流の増加により、放出したパワーの合計が増加したが、目のためのすべての 照明システムに必要なルクス出力は、約７５ｍＡで顕著な頂点を示している。電 流はこのレベルを超えてまで増加するため実際にはさほど有用でない出力がある 。

【００４２】 ルクス出力結果は、ＬＥＤを用いるトーチの設計に注意を払う必要があること を示唆している。電流が最大ルクスレベルに確実に制限されるようにするために 、ＬＥＤとともに直列抵抗器を設けることができる（装置を駆動する通常のやり 方）。

【００４３】 デバイスは１０回のオーバーラン／オーバードライブに直面しても極度に堅牢 であるように思われる。４倍ものオーバードライブを含むが、１００ｍＡで長期 間オーバードライブしてもＬＥＤの特性は変化しなかった。

【００４４】 高電流では装置が熱する。熱はリードに伝導するため、すべてのトーチ設計は この熱の流れのための経路を確実に備えるべきである。

【００４５】 ２×ボタン電池のバッテリの組合せ、その電圧および抵抗特性、ならびにＬＥ Ｄ直列抵抗の間には好都合な最適点があるように思われ、これによりＬＥＤが照 明目的のための最適な状態でまたはそれに近い状態で動作することが可能になる 。

【００４６】 製造者が明記する最高動作電流は周囲温度が高まると下げる必要がある（たと えば最高連続電流は６０℃の周囲温度の場合１０ｍＡに設定される）。周囲温度 がこのレベルになることはあまり考えられないが、ＬＥＤからトーチケースの内 部に熱が移動することにより内部温度が周囲温度よりも高い温度まで増加され得 る。

【００４７】 バッテリの選択は重要である。ボタン電池の有効直列抵抗は３つの電池のパッ クとして動作する場合には高すぎるようである。３Ｖの平らな電池の電流はむし ろ低すぎ、その端子電圧はＬＥＤのしきい電圧に近すぎる。これは周囲温度の上 昇とともに光出力が著しく降下するという問題を引き起こし得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はある範囲の印加電圧（何十ミリボル
ト）および電流（ｍＡ）の値における、この考案に従う
ライトに用いるのに適したＬＥＤからの光出力（ルク
ス）を示す表であり、（Ｂ）は、光出力の色の測定値で
ある、ｘおよびｙに関する値も含む、グラフ上にプロッ
トされた結果を示す図である。

【図２】同じＬＥＤに関する、ＬＥＤ電流（ｍＡ）に対
する統合光束のグラフ図である。

【図３】同じＬＥＤに関する、ＬＥＤ電流（ｍＡ）に対
する、４７５ｎｍ（上の曲線）および５５０ｎｍ（下の
曲線）の場合の相対的な光パワーを示すグラフ図であ
る。

【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、この考案に従うライト
に設けるのに適さない低い内部抵抗を有する緑ＬＥＤに
対して行なわれたときの、図１（Ａ）／図１（Ｂ）に示
されるテストと同じテストの結果を示す図である。

【図５】不適切な緑ＬＥＤに関する、波長（ｎｍ）に対
する相対的な光パワーを示すグラフ図である。

【図６】この考案に従うライトに設けるのに適した白Ｌ
ＥＤの場合の、いくつかの種々の電力源に関する、ＬＥ
Ｄ電流（ｍＡ）に対する電圧を示すグラフ図である。

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月１４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】実用新案登録請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【実用新案登録請求の範囲】

Claims (9)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、電力源とを含み、高い内
   部抵抗を有するＬＥＤを光源としてさらに有する、携帯
   用電気ライト。
2. 【請求項２】 前記ＬＥＤがオーバーランされる、請求
   項１に記載の携帯用電気ライト。
3. 【請求項３】 前記電力源により直流出力がもたらされ
   る、請求項１または２に記載の携帯用電気ライト。
4. 【請求項４】 高い内部抵抗を有する複数のＬＥＤを含
   む、請求項１、２または３のいずれかに記載の携帯用電
   気ライト。
5. 【請求項５】 手持ち式のトーチまたは懐中電灯の形態
   である、請求項１から４のいずれかに記載の携帯用電気
   ライト。
6. 【請求項６】 前記ＬＥＤが、約３ボルト以上のしきい
   電圧を有する、請求項１から５のいずれかに記載の携帯
   用電気ライト。
7. 【請求項７】 光源としてNichia社のＮＳＰＷ ３１０
   ＡＳ ＬＥＤを含む、請求項１から６のいずれかに記載
   の携帯用電気ライト。
8. 【請求項８】 ズボンまたはジャケットのポケットの中
   に収めることができるように横方向に平らな形状を有す
   る、請求項１から７のいずれかに記載の携帯用電気ライ
   ト。
9. 【請求項９】 実質的に以下に添付の図面を参照して説
   明される、携帯用電気ライト。