JP5251075B2 - Led光源装置 - Google Patents
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Description
また、近年では、長尺状の基板に、列状に発光素子を搭載した線状光源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
また、線状光源装置が備える複数の発光素子のいずれかが損傷した場合、発光素子のそれぞれが同一の基板に搭載されているため、損傷している発光素子だけを交換することができない。そのため、発光素子の損傷時には全ての発光素子を一斉に取り換えねばならず、メンテナンス性が悪いといった問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、全長を簡単に変更することが可能であり、メンテナンス性に優れたLED光源装置を提供することを目的とする。
図1は、本実施形態に係るLED光源装置1の構成を示す図であり、図1(A)は平面図、図1(B)は背面図、図1(C)は側面図、図1(D)は底面図、図1(E)は正面図である。
LED光源装置1は、図1に示すように、複数の箱型のLEDユニット2を列状に連接して構成されており、LEDユニット2が別個に着脱自在に取り付けられる長尺状の枠体としての取付フレーム4を有している。各LEDユニット2は、所定個数(本実施形態では5個)のLED6を列状に配列してなるLEDモジュール8を有し、LED光源装置1においては、かかるLEDユニット2のLEDモジュール8が列状に連接されることで線状のライン光を照射する線状光源装置として構成される。
ユニット取付部14には、LEDユニット2の取付位置に対応して1対の掛合孔18A、18Bが形成されており、各掛合孔18A、18BにLEDユニット2が別個に着脱自在に取り付けられる。このとき、1対の掛合孔18A、18Bの各々がLEDユニット2の幅Wごとに形成されることで、各掛合孔18A、18BにLEDユニット2を取り付けた際にはLEDユニット2同士が密接状態で連接されることとなる。
また、サイドフレーム12Bと仕切片16とにより、電装ボックス取付部20が形成され、この電装ボックス取付部20に次に説明する電装ボックスが配置される。
電装ボックス22は、電源ユニット23と、操作部24と、調光ユニット25とを有している。電源ユニット23は、外部から供給される交流電力を直流電力に変換し各LEDユニット2に供給するものであり、各LEDユニット2に並列に送電するための電力ケーブル26がユニット取付部14に取付可能なLEDユニット2の数だけ電源ユニット23から引き出されている。
操作部24は、電源投入ボタンや明るさを操作するための操作子といった各種の操作子を有している。
調光ユニット25は、操作部24に対する操作に基づいて各LEDユニット2に対して明るさ(光量或いは光束)を指令するものであり、この調光ユニット25からは指令信号線27が引き出され、この指令信号線27を介して明るさの指令が各LEDユニット2に出力される。
LEDユニット2は、略矩形の板状のベースフレーム30に、上記LEDモジュール8、放熱板32及び回路基板34を組み付けて構成されている。
さらに詳述すると、ベースフレーム30の一方の面には、図3(D)に示すように、このベースフレーム30との対向面36Aを構成し、ベースフレーム30と対向面36Aとの間に上記LEDモジュール8を固定配置するLED支持フレーム36がねじ止め固定されている。
この回路基板34には、上記電装ボックス22から引き出された電力ケーブル26が接続される電源端子や、指令信号線27が接続されて明るさの指令信号を受ける信号端子などの各種端子、及び、LEDモジュール8の各LED6に供給する電流値を制御して光量(光束)を可変するドライバ回路86(図10参照)が搭載されている。
上記LED支持フレーム36の背面側には、図3(D)、図3(E)などに示すように、鉤状の一対の取付片42A、42Bがねじ止め固定されており、これらの取付片42A、42Bを取付フレーム4の上記掛合孔18A、18Bに掛け合わせて、LEDユニット2が取付フレーム4に取り付けられる。
LEDモジュール8は、所定個数(図示例では5個)の発光素子たるLED6を列状に一定の間隔で配列したものであり、上記所定個数のLED6と、各LED6を一定の間隔で実装してなるLED実装基板50と、LED6ごとに反射面52が形成された反射体54とを備えている。
反射体54は、直方体形状の例えばアルミニウム材に、長手方向に沿ってLED6の配置間隔で回転楕円面或いは回転放物面の凹部を形成し、各凹部によって各LED6の上記反射面52を構成したものである。反射面52を構成する凹部のそれぞれは、反射体54の底面によって切頭されて反射面52ごとに略円形の開口部56が形成される。このような反射体54をLED実装基板50に重ねて配置することで、反射体54の開口部56からLED6が反射面52内に挿入され、反射面52を構成する回転楕円面或いは回転放物面の回転中心軸上にLED6が配置され、各LED6から放射された光が反射面52によって略平行光化されて放射されることになる。
これに対して、本実施形態では、上述したように、回転楕円面或いは回転放物面の反射面52の回転中心軸上にLED6を配置し、図5(A)に示すように、LED6からの直接光k2と反射面52にて反射した反射光k1とを同一方向にしているため、図5(B)に示すように、反射面52内全体から平行光が取り出される。
これにより、反射面52ごとに面光源が形成されるため、LED6を単純に配列した場合に比べて、LED6の配列に沿った方向における輝度むらが軽減されることとなる。
そして、図4(C)に示すように、LED6から放射された光の一部k3が反射面52の切欠部58を通じてLED6の配列方向に進むため、LED6の間の輝度むらがより軽減されることとなる。
このとき、回転楕円面或いは回転放物面をオーバーラップさせながら各反射面52を形成しているため、図6に示すように、LED6の配列方向における最小幅の箇所52Aに、オーバーラップに応じた長さの幅Xが生じ、ある程度の幅Xを有するライン状の光が形成されることとなる。
そこで、本実施形態では、LED6の配列方向に沿った輝度むらを更に低減するために、レンズ機能を有する拡散板(以下、「拡散レンズ」と言う)を設けることとしている。
この図に示すように、LED光源装置1は、LEDモジュール8の光の放射方向に沿って互いに離間配置された円拡散レンズ60及び楕円拡散レンズ62を有している。
詳述すると、円拡散レンズ60は、図7に示すように、LEDモジュール8のそれぞれの上面に載置され、当該LEDモジュール8が放射する光を円に拡散する拡散板である。これにより、LEDモジュール8の各LED6から放射される光が反射面52によって平行光化され、さらに、円拡散レンズ60によって円方向に広げられながら拡散された後、楕円拡散レンズ62に入射する。
楕円拡散レンズ62は、取付フレーム4に取り付けられて連接された各LEDユニット2の上方を覆うように、この取付フレーム4のユニット取付部14の一端から他端にかけて設けられ、各LEDユニット2から放射された光を楕円に拡散する拡散板であり、楕円拡散の長軸方向がLEDユニット2の連接方向と同一になされている。これにより、各LEDユニット2から放射された光がLEDユニット2の連接方向に広げられながら拡散され、LED6間の輝度むらは勿論のことLEDユニット2の連接方向における輝度むらも抑制される。
これらの図に示すように、LED6に上記反射体54を設けることで、LED6同士の間にも輝度が確保されていることが示され、さらに、互いに離間配置された円拡散レンズ60及び楕円拡散レンズ62を併用することで、図8(D)に示すように、LED6の配列方向において略均一な輝度分布が得られる。
なお、上記拡散レンズの枚数は、LED光源装置1として要求されている輝度又は照度の均斉度[=(最大値−最小値)/最大値]が実現される枚数(1〜複数枚)とすれば良い。
LED光源装置1においては、各LEDユニット2に対して光量(輝度)の指示がなされると共に、指示された光量を維持するように各LEDユニット2が独立してLED6のフィードバック制御を行っている。
詳述すると、一般に、LED6を点灯駆動する際には、定電圧Eに対して、電流制限抵抗RとLED6を直列に接続し、Vfを順電圧としたときの順電流If(=(E−Vf)/R)を制御するか、或いは、常に一定の定電流でLED6を点灯駆動しており、いずれにおいても、光束に比例する順電流を制御することで、点灯駆動を行っている。
例えば、LED6とLED実装基板50との結合点(以下、「ジャンクション」と称する)の温度が25℃のときに、LED6を3W(ワット)で駆動したときの光束を100%とし、そして、この状態でLED6を駆動し続けると、空気中からジャンクションまでの熱抵抗が15℃/W、周囲温度が25℃である場合には、上記ジャンクションの温度は約75℃に達し光束が約15%低下する。
すなわち、従来の点灯駆動制御においては、LED6を点灯及び消灯を繰り返して使用する場合、安定した光束を得ることができない、という問題がある。
そこで、本実施形態では、LEDユニット2において各LED6の光量を監視し、この光量の変動を打ち消すように駆動電流(上記順電流)を増減するフィードバック制御を行うことで、光束の安定化を図る構成としている。
具体的には、光受光素子70は、図9(A)に示すように、LEDモジュール8の長手方向、すなわち、LED6の配列方向の略中央であって、LEDモジュール8(円拡散レンズ60)から所定の高さHの位置に配置されており、また図9(B)に示すように、断面方向においては、LED6の放射光を遮蔽することがないようにLED6の光軸fから外れた位置であってLED6の漏れ光k4が入射する位置に配置されている。
上記高さHは、LEDモジュール8の両端部59A、59BのそれぞれのLED6から放射され、円拡散レンズ60によって拡散された拡散光が通過し得る高さであり、このような高さHに光受光素子70を配設することで、LEDモジュール8が備える各LED6の光量の変化を1つの光受光素子70の受光量に影響させることができる。
LEDユニット2は、LED6、反射面52を有する反射体54、円拡散レンズ60及び光受光素子70の他に、この光受光素子70の検出光量に応じた電圧信号を出力する増幅器80と、LED6の発光により所望の光束が得られるときの電圧信号を基準電圧として出力する基準電圧回路82と、増幅器80からの電圧信号及び基準電圧の差分に応じた差分信号を出力する比較器84と、上記差分信号に基づいて、所望の光束が得られるように駆動電流を補正してLED6に出力するドライバ回路86とを備え、これらの構成により、LED6の駆動電流がフィードバック制御される。
したがって、LED6の発熱、或いは、周囲の温度により、光束と駆動電流との比例関係が崩れ、所望の光束が得られなくなり得る場合でも、所望の光束が得られるように駆動電流がフィードバック制御されるため、安定した光束を得ることができる。
図11(A)に示すように、上記のフィードバック制御により、LEDユニット2の各LED6が点灯を開始してから光束(光量)が安定するまでの時間が約1msec以内に抑えられるようになり、立ち上がりが非常に速くなっていることが示されている。
また、LED6は温度が上昇すると光束が低下する特性を有することから、図11(B)に示すように、周囲温度が0℃〜40℃の間で変化した場合、高温時には周囲温度の上昇に合わせて順電流が増加することが示される。これにより、図11(C)に示すように、周囲温度が0℃〜40℃の間で変化した場合でも、相対輝度の変動が約5%程度の範囲内に抑えられ、約0.125%/℃の安定度が得られることとなる。
また、LEDユニット2の各々が互いに独立してフィードバック制御を行う構成としているため、LEDユニット2の交換により、他のLEDユニット2との間でLED6の経年劣化の度合いが異なる場合でも、各LEDユニット2間での光量を適切に合わせることができ、輝度むらの無いライン状の光を放射することができる。
例えば、上述した実施形態では、直線状にLED6を配列してLEDモジュール8を構成したが、これに限らず、線状にLED6が配列された構成であれば、曲線に沿ってLED6を配列しても良い。
2 LEDユニット
4 取付フレーム
6 LED
8 LEDモジュール
10 取付メインフレーム
18A、18B 掛合孔
22 電装ボックス
23 電源ユニット
25 調光ユニット
34 回路基板
36 LED支持フレーム
38 基板支持フレーム
42A、42B 取付片
52 反射面
54 反射体
58 切欠部
60 円拡散レンズ
62 楕円拡散レンズ
64 ミラー
70 光受光素子
80 増幅器
82 基準電圧回路
84 比較器
86 ドライバ回路
88 過電流保護回路
Claims (3)
- 所定個数のLEDと、凹部による前記LEDごとの反射面とを列状に配列してなり、隣接する前記反射面同士がオーバーラップする箇所に切欠部を形成したLEDモジュールを有するLEDユニットと、
複数の前記LEDユニットが着脱自在に取り付けられ、前記LEDユニット同士の連接箇所の反射面の間にも前記切欠部が形成された前記LEDユニットのLEDモジュール同士を一列に連接する取付フレームと、
前記LEDユニットの各々に対して電力を並列に供給する電源ユニットと、
前記LEDユニットの各々のLEDモジュールの上面に配置され、光を前記LEDユニットの円方向に広げながら拡散する円拡散レンズ、及び、連接された前記LEDユニットの各々の上方を覆うように前記取付フレームの一端から他端にかけて設けられ前記LEDユニットから放射された光を連接方向に広げながら拡散する楕円拡散レンズと、を備え、
前記LEDユニットの連接方向に延びる線状の光を照射するとともに、
前記LEDユニットの各々は、
前記電源ユニットから供給される電力によって前記LEDモジュールの各LEDを駆動するドライバ回路を有する回路基板と、
前記LEDモジュールが放出し前記円拡散レンズを通った光を検出する光受光素子と、
前記光受光素子の受光量に基づいて、前記LEDモジュールの光束が所定の値になるようにフィードバック制御する手段と、を有する
ことを特徴とするLED光源装置。 - 請求項1に記載のLED光源装置において、
前記LEDユニットの各々に対して明るさの指令を出す調光ユニットを有し、
前記LEDユニットの各々のドライバ回路は、前記調光ユニットからの明るさの指令に基づいて、前記LEDモジュールの各LEDを駆動する
ことを特徴とするLED光源装置。 - 請求項1又は2に記載のLED光源装置において、
前記光受光素子を、前記LEDモジュールの長手方向の略中央であって、前記LEDモジュールの両端の各々のLEDが放射する光を受光可能な距離だけ前記LEDモジュールから上方に離間し、なおかつ、前記LEDモジュールの各LEDの光軸から逸れた位置に配置した
ことを特徴とするLED光源装置。
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