JP4564513B2

JP4564513B2 - 照明装置

Info

Publication number: JP4564513B2
Application number: JP2007114498A
Authority: JP
Inventors: 治梅澤; 守也糸永
Original assignee: 株式会社三協電機
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP2008270084A

Description

本発明は、ＬＥＤを光源とする照明装置に関する。

蛍光灯、電球、ＬＥＤ等の光源を使用した屋内外用の照明装置には各種形状、構造、構成のものがあり、光源の電源に商用電源を使用するもの、ソーラーパネル（太陽電池）で発電した電気を使用するもの等がある。

商用電源を使用する場合は、消費電力分の電気代がかかり、ソーラーパネルの発電を利用する場合は太陽光が不足すると発電量が低下し光源用の電気量が不足することがある。不足を補うためには商用電源を併用しなければならず、そのための配線が必要になり、施工費が嵩む。

本発明は太陽光でも起電（発電）できるのは勿論のこと、蛍光灯、電球、ＬＥＤ等の光源からの光でも発電できる光発電モジュールを備えた照明装置であり、従来の蛍光灯、電球、ＬＥＤ等と同様に建物や壁や天井、或いは看板のケース内等に取り付けて使用できる取り付け型の照明装置と、照明装置の構成部材である光源、光発電モジュール等々の機器を一纏めにしてユニット化して、壁、天井、看板ケース等に取り付けずに使用できるようにしたユニット型の照明装置であり、いずれの型の照明装置の場合も、照明装置の光源からの光で発電し、その電気を照明装置の電源として利用して、光源−光発電モジュールでの発電−その電気の光源への供給、のサイクルを確立して、光源への安定・確実な電源供給を可能とした照明装置を提供するものである。

本件発明の照明装置は既存の蛍光灯や電球と同様に、屋内外の壁や天井に取り付けて使用できる照明装置であり、請求項１記載のように、ＬＥＤ光源を備えた照明装置において、ＬＥＤ光源からの光を受けて発電する光電変換機能のある光発電モジュールがＬＥＤ光源の光照射方向先方に、ＬＥＤ光源から離して、ＬＥＤ光源を被覆するように配置され、前記光発電モジュールは光透過性のある絶縁シートに光電変換機能のある半導体デバイスが装備されたものであり、前記光発電モジュールから発生される電気が前記ＬＥＤ光源の電源として供給されるようにしてある。請求項２記載のように、請求項１記載の照明装置において、ＬＥＤ光源が直管型ＬＥＤ灯であり、光発電モジュールが直管型ＬＥＤ灯の外周に被せることのできる筒状のものとすることもできる。請求項３記載のように、請求項１記載の照明装置において、ＬＥＤ光源が電球型ＬＥＤ灯であり、光発電モジュールが電球型ＬＥＤ灯の光照射方向先方に、ＬＥＤ光源から離れて設けられたものとすることもできる。

本件発明の照明装置は請求項４記載のように、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置において、光発電モジュールよりも光照射方向先方に、光拡散板が設けられたものである。請求項５記載のように、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置において、外部のリモコン機器からの信号を受ける送受信器を備えたものとすることもできる。

本件発明の照明装置は請求項６記載のように、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置において、光発電モジュールで発電された電気を蓄電する蓄電機器と、その蓄電機器に蓄電された電気をＬＥＤ光源に供給するコントローラをも備え、ＬＥＤ光源、光発電モジュール、蓄電機器、コントローラが筐体に纏められてユニット化されたものである。請求項７記載のように、請求項６記載の照明装置において、光拡散板と送受信器の双方または何れか一方も筐体に纏められてユニット化されたものとすることもできる。請求項８記載のように、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の照明装置において、光発電モジュールがフレキシブルなシート状のとすることもできる。

本件出願の照明装置は次のような効果がある。
（１）照明装置の光源であるＬＥＤ等が発する光で発電可能な光発電モジュールを備えているので、その光源が発光している限り光発電モジュールで発電され、その電気を光源の電源と使用できるので、光源が発光を開始すればその後は電気代がかからない。光源を発光させるまでの商用電源或いはバッテリー電源があればその後はそれら電源が不要であるため、商用電源の無い場所であっても照明が可能となる。商用電源取り込み用の配線が不要であるため照明装置の構成が簡潔になり、設置場所の制約を受けにくくなり用途が広がる。
（２）ソーラーパネルを使用する場合のように装置が大掛かりになることがなく、太陽光の強度や光量によって発電量が影響を受けることがないため、電源供給が安定する。
（３）光発電モジュールが発電した電気を蓄電する蓄電機器と、蓄電機器に蓄電された電気を光源に供給するコントローラを設けたので、光発電モジュールが発電した電気を必要に応じて適時利用することができる。
（４）光源の光照射方向又は／及び光照射方向と反対側に光反射材を設けたので、光電モジュールが光源からの光を効率よく吸収でき、発電効率が向上する。
（５）光発電モジュールと、光発電モジュールで発電される電気を蓄電する蓄電機器と、蓄電機器に蓄電された電気を光源に供給するコントローラを備え一台にまとめて一つの照明機器にしたので、壁や天井などに取り付けることなくそのまま独立した照明機器として使用でき、壁や天井などに取り付けて使用することもできる。
（６）光源、光発電モジュール、蓄電機器、コントローラと共に、外部のリモコン機器からの信号を受けて作動する送受信器をも筐体にまとめてユニット化したので、遠隔操作もできる。
（７）光発電モジュールがシート状であるため照明装置を薄型化できる。
（８）光発電モジュールが光透過性のシート状であるため光源からの光が効率良く吸収できる。また、光源のよう光照射方向側に配置しても光源からの光がほとんど遮断されずに透過するため、光源の光照射方向側（通常は光が最も多く照射される側）に配置して光を有効吸収できるようにすることもできる。
（９）光発電モジュールがフレキシブルであるため、光発電モジュールを光源の形状、光照射方向に合わせて、光源からの光を効率よく吸収できるように配置でき、光を無駄なく利用できる。

（実施形態１）
本発明の照明装置の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。この照明装置は図１に示すように光源２、光発電モジュール３、光拡散板４、光反射板５、制御装置（コントローラ）６、充電或は蓄電用の蓄電機器７、送受信器８を一台の筐体、ケース（図中符号１）などにまとめて装備してユニット化して一台の照明機器にしてある。

光源２は細長いシートに複数のＬＥＤ１１が取り付けられているＬＥＤモジュール２を基板１０に取り付けてある。光源２としては小型化、消費電力等の面からＬＥＤ１１が好ましいが、蛍光灯、電球、ヘリュームランプ、水銀灯、テレビモニタ画面などといったあらゆる光源を使用することができる。

図１の光発電モジュール３は光源２の下方（光照射方向）に配置されて、光源２から発せられる光を受光できるようにしてある。本発明の光発電モジュール３には再公表特許の国際公開番号ＷＯ２００３／０３６７３１に開示の光発電モジュールが適する。この光発電モジュール３は光透過性があり、フレキシブルな絶縁性のシート１３（図２ａ、ｂ参照。）に光を吸収して光電変換機能を有する球状の半導体デバイス１２が取り付けられたものである。半導体デバイス１２は二枚のシート１３間に挟んで固定することも、一枚のシート１３の表面に固定することも、シート１３に内蔵することもできる。シート１３への多数の半導体デバイス１２の配置は受光効率が向上する任意の配置とすることができ、例えば、前記ＬＥＤ１１の配列方向に一列に配置するとか、縦横にマトリクス状に配置することもできる。シート１３に配置された半導体デバイス１２同士は並列又は直列又は直並列に接続されている。シート１３の表面１４には多数の細かな凸部（図示しない）が形成されており、光発電モジュール３へ照射する光の入射角が傾いた場合であっても多数の凸部によって光が屈折したり乱反射したりして、夫々の半導体デバイス１２に多方向から各種角度で入射するようにしてある。シート１３の厚さは任意とすることができ、例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度とすることが望ましい。シート１３の面積は発生させる電気量（パワー）、そのために必要な半導体デバイス１２の数などに合わせて選択することができる。

前記半導体デバイス１２は直径０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度の球状である。一例として図２（ａ、ｂ）に示す半導体デバイス１２は、図３に示すように半導体材料製の球状の芯材１５と、芯材１５の表面に形成された反射膜１６と、反射膜１６の表面にほぼ球面状に形成された半導体薄膜層１７と、半導体薄膜層１７に形成された光電変換機能を有するｐｎ接合１８と、ｐｎ接合の両極に接続された一対の電極２５ａ、２５ｂとを備えたものである。

芯材１５は、例えば金属級シリコン（純度９９％程度の多結晶シリコン）といった半導体材料を球状に結晶させたものである。この芯材１５は、小さな粒状の半導体材料を浮遊状態で溶融し、真空中の自由落下による微小重力状態で凝固させて真球状に結晶化させて形成される。

芯材１５の表面に形成される反射膜１６は、入射光を反射散乱させるほか、芯材１５に含まれる不純物が、高純度シリコンからなる半導体薄膜層１７へ拡散等により混入することを防ぐものであり、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の二つの被膜からなる。これらの被膜は公知の種々の方法で形成されるが、例えば減圧ＣＶＤ法により形成することができる。反射膜１６のうち、芯材１５を挟んで対称な二箇所には開口部１９ａ、１９ｂが形成されている。

反射膜１６の表面に形成された高純度の半導体薄膜層１７は発電層となる。この半導体薄膜層１７は、図３に示すように、ｐ型多結晶シリコン薄膜２０及びｎ^＋拡散層２１からなる。この半導体薄膜層１７も、公知の種々の方法、例えば減圧ＣＶＤ法により形成することができる。

半導体薄膜層１７の表面に形成されたｐｎ接合１８は、球面の大部分を占めるように形成され、球表面に直接到達する光の大部分の光を吸収し、電気に変換する光電変換機能を有する。このｐｎ接合１８は、半導体薄膜層１７との界面にリンを拡散させる等することによって形成される。

ｐｎ接合１８の表面には、シリコン酸化膜からなるパッシベーション膜２２が形成されている。パッシベーション膜２２は公知のように光励起された少数のキャリヤがシリコンとの界面において再結合し消滅する速度を下げ、光電変換に寄与する割合を向上させるためのものである。パッシベーション膜２２の表面には、パッシベーション膜２２とともに外来光に対する反射防止の機能を有し、耐蝕性に優れ、硬度が高く傷つきにくい透明な表面保護膜２３が形成される。この表面保護膜２３としては酸化チタンを被覆することが望ましい。

表面保護膜２３とパッシベーション膜２２のうち、半導体薄膜層１７を挟んで対称な二箇所には開口部２４ａ、２４ｂが形成されて、その開口部２４ａ、２４ｂには、半導体薄膜層１７に接し、外部に電流を流すことのできる正電極２５ａと負電極２５ｂが設けられている。この正電極２５ａと負電極２５ｂとにより、半導体デバイス１２で発電された電気をシート材１３外へと送り出すことが可能となる。

図１の光拡散板４は、光源２の光照射方向であって前記光発電モジュール３の外側に配置され、光源２の各ＬＥＤ１１から発せられ、光発電モジュール３を通過した光を拡散させて外部に照射可能とするものである。図１の光拡散板４は、一面（外側面）が平滑面２６、他面（内側面）が全面に多数のプリズムが形成されたプリズム面２７とされた透光板であり、光拡散板４に照射或いは入射された光が光拡散板４のプリズム面２７で全方向に拡散されて光拡散板４の全般に散乱され、その拡散光が光拡散板４の全面からほぼ均一に出射されるようにしてある。また、図１の光拡散板４は、端部を光発電モジュール３側（内側）に曲げて形成されており、光発電モジュール３及び光源２を覆うような形状としてある。光拡散板４の透光板はアクリル、ガラス等であることが光透過率の点から望ましいが他の材質製であってもよい。光拡散板４は透明であっても着色した半透明のものであってもよい。光拡散板４の形状、構造は図１に示すものには限られず、照射或いは入射された光を拡散して出射可能であれば任意の形状、構造のものとすることもできる。従って、例えば、ガラス内に乳白色の光拡散物質を分散して形成したものや、ガラス基板の片面を擦りガラス（砂面）にしたもの等を用いることもできる。

図１の光反射板５は、光源２の背面側に配置され、光源２の背面側に漏出した光を光照射方向へ反射可能とするものである。光反射板５は、板材の表面に光を反射するが透過はしないホワイトフィルムや金属フィルム等の光反射材を貼付したものや、光反射塗料を塗布したり、吹き付けたりしたものとすることができる。光反射板５の表面に光発電モジュール３を備えて、光反射と同時に発電を行うこともできる。

図１に示す光発電モジュール３にはコントローラ６が接続されている。コントローラ６は光発電モジュール３が発電した電気を蓄電機器７へ供給させたり、蓄電機器７に蓄電されている電気を光源２に供給させたりするものである。コントローラ６は、蓄電機器７に蓄電されている電気を光源２以外の機器の電源として供給させるようにすることもできる。

蓄電機器７にはバッテリーとかコンデンサ（以下まとめて単に「蓄電機器」とする。）を使用することができる。蓄電機器７は光発電モジュール３で発生された電気を蓄電（或いは充電）し、その電気をコントローラ６からの制御に基づいて光源２に供給するものである。蓄電機器７にはバッテリー、アルミ電解コンデンサ、タンタル電解コンデンサ等の任意のバッテリーやコンデンサを使用することができるが、充電時間の迅速性などの面から電気二重層コンデンサが適する。

図１のコントローラ６には送受信器８が接続されており、リモコン機器９から送信される信号を受信可能としてある。これにより、リモコン機器９による光源２のＬＥＤ１１のオンオフ操作が可能となる。

前記送受信器８はリモコン機器９から送信される操作（制御）信号を受信し、その制御信号に基づいて光源２のオン・オフ操作、光発電モジュール３の作動・停止などの操作、コントローラ６の始動・停止などの操作、光発電モジュール３で発電された電気の蓄電機器７への充電・停止、蓄電機器７に蓄電（或いは充電）されている電気の光源２への供給開始・停止などの各種操作を行なうようにしてある。

本実施形態の照明装置は、街路灯、電気スタンド、室内灯等、任意の用途に使用することができる。

本発明の照明装置の動作の一例を次に説明する。本発明の照明装置の初期導入時は、始動に先立って蓄電機器７に外部のバッテリーや商用電源から電気を充電しておき、その電力で光源２のＬＥＤ１１を発光させることができるようにしておく。
（１）蓄電機器７に蓄電（充電）されている電気を電源として光源２のＬＥＤ１１を発光させる。
（２）ＬＥＤ１１から出射された光で周囲が照明される。このとき、光拡散板４に入射した光は光拡散板４で拡散される。これら光は光発電モジュール３に入射する。
（３）光を受けた光発電モジュール３の多数個の半導体デバイス１２が発電する。
（４）発電された電気は蓄電機器７へ蓄電（充電）され、光源２のＬＥＤ１１に電源供給される。
（５）前記蓄電機器７への蓄電（充電）、光源２のＬＥＤ１１への供給・停止等は制御装置６により制御される。

（実施形態２）
本発明の照明装置の実施形態の第二の例を図４に基づいて説明する。この照明装置は図４に示すように室内の壁や天井などに取り付けられている光源２の反射板３０の表面に光透過性のシート状の光発電モジュール３を張り付けたものである。反射板３０は既存の照明機器用の反射板と同じものであっても異なるものであってもよい。光発電モジュール３は前記実施形態１の光発電モジュール３と同じものであっても、異なるものであってもよい。

図４の照明装置では光源２からの光で周囲が照明される。その光が反射板３０の表面の光発電モジュール３に入射する。この入射により光発電モジュール３の光電気変換機能により電気が発生し、それが蓄電機器に蓄電或いは充電され、光源２に電源供給される。その制御は前記コントローラ６で行なわれる。

（実施形態３）
本発明の照明装置の他の例を図５（ａ、ｂ）に基づいて説明する。この照明装置は光透過性のシート状の光発電モジュール３を円筒状に成形し（図５ａ）、それを蛍光灯や水銀灯などの細長い光源２に被せるようにしたものである（図５ｂ）。光発電モジュール３は前記実施形態１の光発電モジュール３と同じものであっても、異なるものであってもよい。

図５（ａ、ｂ）の照明装置では光源２からの光で周囲が照明されると、その光が円筒状の光発電モジュール３に入射して光発電モジュール３の光電変換機能により電気が発生し、それが蓄電機器７に蓄電或いは充電され、光源２に電源供給される。その制御は前記コントローラ６で行なわれる。

（実施形態４）
本発明の照明装置の他の例を図６に基づいて説明する。この照明装置は光透過性のシート状の光発電モジュール３を細長半球状に成形し、それを電球カバー３１の内側に張り付けたものである。光発電モジュール３は電球カバー３１の外側に張り付けたリ、配置したりすることもできる。いずれの場合も光発電モジュール３は前記実施形態１の光発電モジュール３と同じものであっても異なるものであってもよい。

図６の照明装置では光源２からの光で周囲が照明されると、その光が半球状の光発電モジュール３に入射して光発電モジュール３の光電気変換機能により電気が発生し、それが蓄電機器７に蓄電或いは充電され、光源２に電源供給される。その制御は前記コントローラ６で行なわれる。

本実施形態の照明装置は、例えば自動車のヘッドライトや車幅灯等に応用することができる。

（実施形態５）
本発明の照明装置に使用する光発電モジュール３は、半導体デバイス１２が光透過性のある絶縁材料に装備されたものであれば、フレキシブル性を有するシート状のものには限られず、フレキシブル性のない材質製とか、シートではなく肉厚板にする等、任意構造とすることができる。従って、例えば、光透過性を備える絶縁材料製のパネル内に半導体デバイス１２を内蔵したパネル状のもの等とすることもできる。

（実施形態６）
本発明の照明装置は、リモコン機器９で光源２のＬＥＤ１１のオン・オフ操作をするものには限られず、光センサを備えて周囲が暗くなったらＬＥＤ１１を点灯させるようにしたり、スイッチを備え付けて直接ＬＥＤ１１のオン・オフ操作を可能としたりすることもできる。

（その他の実施形態）
本発明の照明装置は、外部から電源を供給するための電源コードを備えることもできる。

光源、光発電モジュール、光反射板、光拡散板の各部品は、完成させる照明装置の構造、構成、形状によって、形状、構造、設置位置、設置数等を変えたり、省略したりすることもできる。従って、例えば、光源を両面照明可能なＬＥＤモジュールを備えたＬＥＤ基板とした場合、ＬＥＤ基板の両面に光発電モジュール及び光拡散板を備え、光反射板を省略した照明装置とすることもできる。

光源をテレビモニタとし、モニタの発光面に光発電モジュールを設けて、モニタから発せられる光で発電を行い、発電された電気をテレビモニタ稼働用電源やその他の用途に利用可能な電源として利用することもできる。

本発明の照明装置は、街路灯、電気スタンド、室内灯、自動車のヘッドライトや車幅灯などの屋内外を照明する照明装置としてのみならず、広告・宣伝用看板や案内看板、建物内の非常口標識、ドアサイン等の照明式看板や案内板等としても応用することができる。

本発明の照明装置の実施形態の一例を示す断面説明図。（ａ）は、光発電モジュールを示す平面図。（ｂ）は（ａ）に示す光発電モジュールの断面図。半導体デバイスを示す断面説明図。本発明の照明装置の実施形態の他の一例を示す正面図。（ａ）は、本発明の照明装置の実施形態の他の一例を示す斜視図。（ｂ）は（ａ）の光発電モジュールを光源に備えた様子を示す斜視図。本発明の照明装置の実施形態の他の一例を示す断面説明図。

１筐体（ケース）
２光源（ＬＥＤモジュール）
３光発電モジュール
４光拡散板
５光反射板
６コントローラ
７蓄電機器
８送受信器
９リモコン機器
１０基板
１１ＬＥＤ
１２半導体デバイス
１３シート
１５芯材
１７半導体薄膜層
１８ｐｎ接合
２５ａ正電極
２５ｂ負電極
２６平滑面
２７プリズム面

Claims

ＬＥＤ光源を備えた照明装置において、
ＬＥＤ光源からの光を受けて発電する光電変換機能のある光発電モジュールがＬＥＤ光源の光照射方向先方に、ＬＥＤ光源から離して、ＬＥＤ光源を被覆するように配置され、
前記光発電モジュールは光透過性のある絶縁シートに光電変換機能のある半導体デバイスが装備されたものであり、
前記光発電モジュールから発生される電気が前記ＬＥＤ光源の電源として供給されることを特徴とする照明装置。
請求項１記載の照明装置において、
ＬＥＤ光源が直管型ＬＥＤ灯であり、光発電モジュールが直管型ＬＥＤ灯の外周に被せることのできる筒状であることを特徴とする照明装置。
請求項１記載の照明装置において、
ＬＥＤ光源が電球型ＬＥＤ灯であり、光発電モジュールが電球型ＬＥＤ灯の光照射方向先方に、ＬＥＤ光源から離れて設けられたことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置において、
光発電モジュールよりも光照射方向先方に、光拡散板が設けられたことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置において、
外部のリモコン機器からの信号を受ける送受信器も備えたことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の照明装置において、
光発電モジュールで発電された電気を蓄電する蓄電機器と、その蓄電機器に蓄電された電気をＬＥＤ光源に供給するコントローラをも備え、ＬＥＤ光源、光発電モジュール、蓄電機器、コントローラが筐体に纏められてユニット化されたことを特徴とする照明装置。
請求項６記載の照明装置において、光拡散板と送受信器の双方または何れか一方も筐体に纏められてユニット化されたことを特徴とする照明装置。
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の照明装置において、
光発電モジュールがフレキシブルなシート状であることを特徴とする照明装置。