JP6058689B2 - 照明システム - Google Patents

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Description

本発明は、照明システムに関する。詳細には、本発明は、発光ダイオードを備える照明システムに関する。
一般的な照明の用途に適した発光ダイオード(LED)が利用できることによって、多くの異なる状況においてLED光源の使用が可能となる。世界中の設計者は、現在、LEDのスモール・フォーム・ファクタおよび低電圧駆動によって可能となる新しい設計を研究している。これらの特徴によって、インテリア(天井、壁、カーペット)においてLED光源を家具もしくは工具と一体化すること、または、プラスチック、ガラス、シリコーンおよびコンクリートのような材料に埋め込むことでさえ容易に可能となる。
材料にLEDを埋め込む際の重要な制約は、LEDが電力を必要とするということである。通常、電力は、固定ワイヤまたは固定ワイヤグリッドによって供給される。これは柔軟性のある解決策ではあるが、新しい物体形状それぞれに対して配線構造の再設計が必要であり、これによって、コストおよび商品化までの時間が増加する。したがって、これらの問題に対する解決策が必要である。
本発明の第1の実施例において、照明システムが提供される。照明システムは、複数の離散的な発光ダイオード・モジュール、および複数の離散的な発光ダイオード・モジュールを含む半透明部分を備える。各発光ダイオード・モジュールは、発光ダイオード、ならびに少なくとも第1のモジュール電極および第2のモジュール電極を備える。第1のモジュール電極は、発光ダイオードのカソードと電気的に接続され、第2のモジュール電極は、発光ダイオードのアノードと電気的に接続される。複数の発光ダイオード・モジュールの少なくとも一部は、モジュールのストリングを形成し、ストリング中の発光ダイオード・モジュールそれぞれの少なくとも1つのモジュール電極がストリング中の隣接する発光ダイオード・モジュールの発光ダイオード・モジュール電極と直接に物理的接触し、その結果、電圧がストリング両端間に印加されたとき、ストリング中の各発光ダイオード・モジュールに電流が流れ、それによってストリング中の各発光ダイオード・モジュールの発光ダイオードを活性化する。照明システムは、発光ダイオード・モジュールを接続する特別仕様の、または実際にいかなる配線系統を設けなくても多くの異なる形状もしくは形態を採用することができる。結果として、設計者は、それぞれの異なるシステムに適した特定の配線パターンの設計を考える必要もなく、より自由に多くの異なる形状の照明システムを作ることができる。
複数の離散的な発光ダイオード・モジュールは、半透明部分の内部に不規則に分布してもよい。そのため、システム内部にLEDモジュールを明確に配置する必要はない。これによって、照明システムの作成に関連づけられた時間およびコストの両方が低減される。
本発明の第2の実施例において、発光ダイオード・モジュールが提供される。発光ダイオード・モジュールは、第1の実施例の照明システムにおいて使用するためのものである。発光ダイオード・モジュールは、発光ダイオード、ならびに少なくとも第1のモジュール電極および第2のモジュール電極を備える。第1のモジュール電極は、発光ダイオードのカソードと電気的に接続され、第2のモジュール電極は、発光ダイオードのアノードと電気的に接続される。発光ダイオード・モジュールは、第1および第2のモジュール電極のうちの1つが、隣接する同一の発光ダイオード・モジュールのモジュール電極と直接に物理的接触し、電圧が発光ダイオード・モジュールおよび隣接する発光ダイオード・モジュールの両端間に印加されると、電流が発光ダイオード・モジュールに流れ、それによって、発光ダイオードが活性化されるように構成される。
第1および第2の実施例において、第1および第2のモジュール電極は、第1のモジュール電極と第2のモジュール電極間に延在する軸が体積の中心点を通過するように、発光ダイオード・モジュールの体積の相対する側に設けられてもよい。これによって、照明システム全体にわたる導電性経路の形成が容易になる。
第2の実施例の発光ダイオード・モジュールまたは第1の実施例の各発光ダイオード・モジュールは、少なくとも一部が半透明の本体を備えることができ、発光ダイオードが、発光ダイオードによって放射された光が本体の外側で検知できるように本体の半透明部分の内部に入れられている。各発光ダイオード・モジュールの第1および第2のモジュール電極のそれぞれは、本体の外部表面に設けられた表面電極を備えることができる。
当該または各発光ダイオード・モジュールは、電圧の極性にかかわらず、電圧差が第1および第2のモジュール電極両端間にかけられたとき、発光ダイオードまたは第2の発光ダイオードが活性化されるように構成されてもよい。そのため、発光ダイオード・モジュールを、導電性経路が形成できるようにシステム内部で特別に配向させる必要はない。このことは、当該または各発光ダイオード・モジュールに当該の発光ダイオードおよび第2の発光ダイオードを設けることによって達成することができ、当該の発光ダイオードのカソードおよび第2の発光ダイオードのアノードが第1のモジュール電極と電気的に接続され、第2の発光ダイオードのカソードおよび当該の発光ダイオードのアノードが第2のモジュール電極と電気的に接続される。あるいは、当該または各発光ダイオード・モジュールは、発光ダイオードが第1および第2のモジュール電極両端間にかけられた電圧差の極性にかかわらず活性化されるように、発光ダイオードと電気的に接続されたブリッジ整流回路を備えてもよい。別の代替形態において、当該または各発光ダイオード・モジュールは、第1および第2のモジュール電極両端間にかけられた電圧差の極性を決定し、より高い電圧を有するモジュール電極から発光ダイオードのカソードへ電流を流す経路を定めるように構成された集積回路を備えてもよい。
当該または各発光ダイオード・モジュールは、第3のモジュール電極および第4のモジュール電極を備えてもよく、第3のモジュール電極が発光ダイオードのカソードと電気的に接続に接続され、第4のモジュール電極が発光ダイオードのアノードと電気的に接続され、または第3のモジュール電極が別の発光ダイオードのカソードと電気的に接続され、第4のモジュール電極が別の発光ダイオードのアノードと電気的に接続される。複数対の電極を設けることによって、電極の総面積を大きくすることができるだけでなく、短絡を低減することも可能になる。
当該または各発光ダイオード・モジュールのモジュール電極は、平面電極を備えることができる。これによって、システム内部でモジュールを積み重ねることが容易になり、そのためモジュールのストリング全体にわたって電力を伝達させることが容易になる。
当該または各発光ダイオード・モジュールのモジュール電極の一方が凹面形状であってもよく、当該または各発光ダイオード・モジュールの他方のモジュール電極が凸面形状であってもよい。これによって、隣接するモジュール間で良好な直接的な物理的接続の形成が容易になり、したがって、モジュールのストリング全体にわたる電力の伝達も容易になる。
当該または各発光ダイオード・モジュールは、第1のモジュール電極と第2のモジュール電極との間に延在する軸と実質的に位置合わせされた磁気双極子を備えてもよい。これによって、隣接するモジュール電極が互いに位置合わせすることが促進され、電極間の良好な物理的接続も提供する。そのため、この特徴によっても、モジュールのストリング全体にわたる電力の伝達が容易になる。
照明システムは、ストリングの対向端部で発光ダイオード・モジュールと直接に物理的接触する少なくとも2つの端子モジュールを備えることができる。端子モジュールは、発光ダイオード・モジュールのモジュール電極と物理的に接触するモジュール電極と、電源から電力を受けるための、または電源に電力を伝達するための電力伝達要素とを備える。このように、少なくとも2つの端子モジュール間のストリング中のモジュールを明るくさせるための電力を提供することができる。
一部の実施例において、第2の実施例の発光ダイオード・モジュールのモジュール電極、または第1の実施例の各発光ダイオード・モジュールのモジュール電極は、それらの上に設けられた絶縁材料の層を含んでもよい。そうした実施例において、直接に物理的接触する発光ダイオード・モジュールは、互いに容量的に結合する。当該または各発光ダイオード・モジュールは、当該または各モジュールの共振周波数をチューニングするために、インダクタを含んでもよい。物理的に直接接触するモジュールに電気エネルギーを供給する電源がモジュールの共振周波数で駆動される場合、システムの効率が増大する。代替の実施例において、インダクタは、電源と直列に接続されてもよい。
半透明部分は、複数の発光ダイオード・モジュールが埋め込まれた絶縁充填材料を備えてもよい。すべてのモジュールの体積の総計が、照明システムの体積の25%以上を構成してもよい。絶縁充填材料は、照明システムの残りの体積を実質的に構成することができる。各モジュールの体積は、発光ダイオードが位置するモジュール電極間の体積として規定されてもよい。すべてのモジュールの体積の総計は、照明システムの体積の30%から40%の間を構成してもよい。25%を超える割合、および任意選択で30%から40%の間の割合によって、モジュールのストリングが照明システムの全体にわたって形成可能となる。
本発明の実施形態についてより完全に理解するために、ここで添付図面に関連して行われる以下の説明に言及する。
本発明の態様を示す概略図である。 本発明の態様を示す概略図である。 本発明によるLEDモジュールの概略図である。 本発明によるLEDモジュールの概略図である。 本発明によるLEDモジュールの他の例である。 本発明によるLEDモジュールの他の例である。 本発明によるLEDモジュールの他の例である。 本発明による端子モジュールの例である。 本発明の実施形態の動作を示す概略図である。 本発明によるLEDモジュールの代替の実施例の例である。 本発明による別のLEDモジュールの例である。 本発明による別のLEDモジュールの例である。 本発明による別のLEDモジュールの例である。 本発明によるさらに別のLEDモジュールである。 本発明によるさらに別のLEDモジュールである。 本発明による他のLEDモジュールである。 本発明による他のLEDモジュールである。 図9Aに示すようなLEDモジュールのストリングの概略図である。
説明および図面において、同様の参照数字は、全体を通して同様の表面電極を指す。
図1Aおよび図1Bは、本発明が「パーコレーション(percolation)」として知られている物理的効果をどのように利用するかを示す。具体的には、本発明は、絶縁充填材料中に無作為に形成された導電性経路に沿った電気エネルギーのパーコレーションを利用する。
図1Aは、絶縁充填(またはバルク)材料12内部に分布させた比較的少数の離散的な発光ダイオード(LED)モジュール10を含む複合材料を示す。
図1Aでは見えないが、LEDモジュール10のそれぞれは、少なくとも1つのLED、ならびに第1および第2のモジュール電極を備える。モジュール電極は、導電性材料で構成される。第1および第2のモジュール電極のそれぞれは、LEDのアノードおよびカソードの少なくとも1つと電気的に接続している。各LEDモジュール10は、隣接するLEDモジュール10から電流を受け、隣接するLEDモジュール10に電流を伝えるように動作可能である。2つのLEDモジュール10は、第1のモジュールのモジュール電極が第2のLEDモジュールのモジュール電極と直接に物理的接触している場合、隣り同士である。2つの隣接するモジュールのモジュール電極間の物理的接触は、モジュール電極間に結合ワイヤなどの介在する材料がないという点で直接的である。LEDモジュール10は、複合材料を形成するために絶縁充填材料12と混合される前に、LEDモジュール10が互いに分離している、または分離可能であるという意味において離散的である。
図1Aの複合材料において、複合材料の単位体積当たりのLEDモジュール10の数は少なすぎる。そのため、各モジュール、または隣接するモジュールのグループは、絶縁材料によって他のモジュールから隔離される。そのため、電気エネルギーが異なるグループのモジュール10間を伝わることはできない。言いかえれば、図1Aの複合材料1全体にわたる電気エネルギーのパーコレーションが可能でない。
しかしながら、複合材料の単位体積当たりのLEDモジュール10の数が、「パーコレーション閾値」として知られている閾値に達すると、複合材料1の全体の体積に、電気エネルギーが伝播することができる無作為に形成された経路のネットワークが張られる。これらの導電性経路は、隣接するLEDモジュール10のストリングによって構築され、電気エネルギーが1つのモジュール10からその隣りへ伝えられる。
本発明による照明システムの一部を図1Bに示す。照明システム1においては、複合材料の単位体積当たりのLEDモジュール10の数がパーコレーション閾値を上回っており、したがって、LEDモジュール10の複数の異なるストリングが複合材料の体積全体にわたって形成されている。電気エネルギーの伝搬、したがってストリング中のLEDの活性化を可能にするこれらのストリングの形成の結果として、複合材料は、このとき照明システム1として動作することができる。これらのストリングのうちの3つがP1〜P3と表示された点線によって示される。ストリングP2およびP3からわかるように、一部のLEDモジュール10は、複数の異なるストリングの構成要素であってもよい。パーコレーション閾値は、通常、LEDモジュール10の総体積がシステム1の体積の25〜50%を構成する場合に生じる。より一般的には、パーコレーション閾値は、30〜40%の範囲内にある。
電流は、絶縁充填材料12を通過することはできない。絶縁充填材料12は、半透明であり、その結果、光が絶縁充填材料12を通過することができる。本明細書において、半透明は、透明を含むこととして理解されたい。
絶縁充填材料12は、固体を含んでもよい。絶縁充填材料12は、熱硬化性、または他の方法による硬化性もしくは固化性材料を含んでもよい。絶縁充填材料12は、例えば、ガラス、樹脂、シリコーン、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、ポリカーボネート(PC)またはポリエチレン・テレフタレート(PET)などのプラスチックを含んでもよい。あるいは、材料12は、比較的低い半透明性を有する絶縁材料、例えば、石膏(プラスター)または透明な接着剤を有する紙(混凝紙)であってもよい。これらの実施例において、絶縁充填材料は、モジュールを含んでいるという点で照明システム1のモジュール含有部分と呼ばれることがある。
照明システム1が構成される複合材料は、特定の光効果を得るために追加の材料を含んでもよい。例えば、透明度を調整するために酸化チタン粒子が含まれてもよい(具体的には、酸化チタンの密度がより高くなると、結果として散乱がより多くなり、透明度がより低くなる)。同様に、ある色を得るために色素が含まれてもよく、あるいは燦めき効果を提供するために色づけされたまたは反射性の薄片もしくはビーズが含まれてもよい。
図1Bの照明システム1が構成される複合材料は、離散的なLEDモジュール10を半透明の絶縁充填材料12と混合することによって作成されてもよい。続いて、材料を成型し、任意の所望の形状に設定して照明システム1を形成することができる。電源が1つまたは複数のストリングの遠位端においてLEDモジュール10(例えば、P1と表示されたストリングの遠位端にある10−1および10−2と表示されたモジュール)の両端間に接続される場合、ストリング(複数可)内部のモジュール10が活性化される(すなわち、光を放射するようになる)。絶縁充填材料12が半透明なので、照明システムは、全体として光を放射する。
代替の実施例において、充填材料12は、半透明のシェルまたは容器の内部の流体(例えば、油、シリコーン油もしくはシリコーングリース)または気体(例えば、空気)であってもよい。これによって、経路を動的に形成することができ、その結果、動的な導電性経路が得られ、この経路を、容器またはシェルを振ることによって、または重力によって時間とともに変化させることが可能である。これらの実施例において、容器またはシェルは、モジュール含有部分と呼ばれることがある。
一部の実施例において、照明システム1は、LEDモジュール10および他の導電性粒子が組み合わされた体積が、パーコレーション閾値を超えるように、LEDモジュール以外に導電性粒子を含んでもよい。これによって、LEDモジュール10の数を低減することができ、同時にシステム1を通る導電性経路を維持することができる。
図2は、図1Aおよび図1Bに示すLEDモジュールのうちの1つの第1の実施例を示す。
図1Aのモジュール10Aは、モジュール本体14、少なくとも1つのLED16、および1対のモジュール電極18−1、18−2を備える。
本実施例において、本体14は、実質的に球形である。しかし、他の形状を有するモジュール本体が代わりに使用されてもよいことが後の説明から理解されるであろう。少なくとも1つのLED16が本体14の内側に入れられている。モジュール本体14の少なくとも一部は、LED16によって放射された光がモジュール10Aの外側から見えるように半透明である。モジュール本体14は、成型された絶縁材料で構成されてもよい。適切な材料は、ガラス、PMMA、PC、PET、PVCなどのプラスチック、アルミナなどの透明なセラミック、またはプラスチック、ガラスもしくはセラミックのシェルを有する空気などの気体を含む。
一部の実施例において、本体14は、2つの中実のまたは中空のアルミナ半球体から作られてもよい。モジュール電極18は、半球体の表面に付着した金属パターンから形成されてもよい。アルミナは、非常に堅牢であり、熱伝導性もあるという点において有利である。
モジュール電極18−1、18−2の対は、モジュール本体14の外部表面上に設けられる。本実施例において、モジュール電極18−1、18−2は、表面電極である。言いかえれば、モジュール電極18−1、18−2のそれぞれは、ある面積を有する表面を画成する。モジュール電極18−1、18−2のそれぞれは、モジュール本体14の外部表面の異なる、別々の部分に設けられている。別の言い方をすると、モジュール電極18−1、18−2は、モジュール本体14の表面の異なる部分を被膜、または被覆する。モジュール電極18−1、18−2は、これらに限定されないが、銅、銀、金、錫、アルミニウム、導電性セラミック、炭素、ニッケル、チタン、真鍮、または他の合金もしくは化合物を含む任意の適切な導電性材料を含むことができる。モジュール電極18−1、18−2は、透明であってもよく、例えば、銅、銀、および金の薄層もしくはメッシュ、または例えば、インジウム酸化チタン(ITO)の層を含んでもよい。
モジュール電極の対の18−1、18−2のそれぞれは、一方のモジュール18−1から他方の18−2に延在する軸がモジュールの体積の中心点を通過する、または中心点に近接するように、モジュール10Aの体積の、異なる相対する側に設けられる。図2Aの実施例(および実際に各図に示す他のモジュール10)において、モジュール10Aの体積は、電極18−1、18−2、およびモジュール本体14によって境界が定められる。しかし、モジュール本体を含まない一部の例示的なモジュールでは、モジュール10の体積は、LEDが常にモジュールの体積の内部にある状態でモジュール電極およびLEDによって境界が定められてもよい。
図2Aのモジュール10A(および各図に示す他のモジュールの多く)において、モジュール電極18−1、18−2は、同じサイズである。モジュール電極18−1、18−2のそれぞれは、モジュール本体14の外部表面の面積の半分よりもわずかに小さい面積までを覆うことができる。モジュール電極18−1、18−2は、電流がモジュール本体14の内部を進むことなしには一方の電極18−1から他方の電極18−2に伝わることができないように互いに明確に区別される。
少なくとも1つのLED16は、LED16のカソードがモジュール電極のうちの1つ、例えば18−1と電気的に接続されるように、かつLED16のアノードがモジュール電極の対の第2の電極、例えば18−2と電気的に接続されるようにモジュール10A内部に配置される。その結果、電圧が第1および第2のモジュール電極18−1、18−2の両端間に印加されると、電流は、第1のモジュール電極18−1から第2のモジュール電極18−2の方向にLED16を通って進むことができる。
図2Aの実施例において、モジュール10Aは、複数の(本実施例では、2つの)LED16−1、16−2を備える。LED16−1、16−2は、逆並列(anti−parallel)の配置で設けられている。そのため、第1のモジュール電極18−1は、第1のLED16−1のカソード、および第2のLED16−2のアノードに接続されている。第2のモジュール電極18−2は、第1のLED16−1のアノードおよび第2のLED16−2のカソードに接続されている。この配置は、LED16−1、16−2の一方がモジュール10Aを通る電流の方向にかかわらず活性化されることを意味する。
複数のLED16がモジュール10内部に設けられる場合、これらのLED16は、別個のLEDパッケージ上に設けられてもよく、または代わりに、逆並列に接続されたダイ・セグメントを含む単一のLEDパッケージ内に設けられてもよい。
モジュール10は、任意の適切なサイズであってもよい。例えば、モジュール10の体積は、およそ1cmであってもよい。モジュール10の体積は、照明システム1の体積を通過する導電性経路を作成するために必要なモジュールの数をある程度規定する。上で言及したように、一般に、システム1が構成される複合材料の体積の30〜40%は、LEDモジュール10で構成されるべきである。より大きなモジュール10を使用することによって、モジュール10の数を低減することができ、それによって照明システム1の生成に関するコストを低減することもできる。しかし、モジュールのサイズは、複合材料で成型された照明システム1の部品に関する最小寸法も規定する。言いかえれば、より小さなモジュールを使用する場合、より狭いモールドが可能である。ある場合には、様々な異なるサイズのモジュール10を利用することが好ましい場合がある。このように、照明システム1の大きなフィーチャに対してより大きなモジュール10を使用することによって必要とするモジュール10の数を比較的少なくしておくことができ、同時に、より小さなサイズのモジュール10を使用することによって、より小さく、より精巧なフィーチャにすることもできる。
以降説明する様々なLEDモジュール10の実施例は、図2Aを参照して説明したLEDモジュール10Aと類似した多くの特徴を含む。これらの類似性は、以下の説明および添付図面から当業者には理解されるであろうが、明示的には述べない場合がある。しかし、関連する差異について説明する。
モジュール10を流れる電流の方向にかかわらず照明を提供する効果は、モジュール10B内部に、LED16とともに、ブリッジ整流器20を設けることによっても達成することができる。このことが図2Bでわかる。図2Bの実施例において、ブリッジ整流器20は、標準のダイオードで構成されている。しかし、LED、または標準のダイオードとLEDの組み合わせが代わりに使用されてもよい。
本実施例において、ブリッジ整流器20の第1のダイオード22−1のカソード、および第2のダイオード22−2のアノードは、第1のモジュール電極18−1と電気的に接続される。第3のダイオード22−3のカソード、および第4のダイオード22−4のアノードは、第2のモジュール電極18−2と電気的に接続される。第1および第3のダイオード22−1、22−3のアノードは、LED16のカソードに接続され、ブリッジ整流器20の第2および第4のダイオード22−2、22−4のカソードは、LED16のアノードと電気的に接続される。このように、第1および第2のモジュール電極18−1、18−2のどちらかで受け取られるいずれの電流も、LED16のカソードに進むように仕向けられる。そのため、LED16は、モジュール10Bを流れる電流の方向にかかわらず活性化される。
ブリッジ整流器20が構成されるダイオード22は、個別部品であってもよく、あるいは複数の端子を有する1個のシリコン上に集積化されてもよく、またはLED16が設けられるパッケージと一体化されてもよい。
当業者には理解されるように、モジュール電極18が可能な限り大きいことによって利点が得られる。具体的には、モジュール電極18の表面積を増加させることによって、2つの異なるモジュール10が物理的に接触するとき、あるモジュールのモジュール電極18が隣接するモジュール10のモジュール電極18と直接に物理的接触する可能性が増大する。しかし、これによって、2つの異なるモジュール10のモジュール電極18が第3のモジュールの同じモジュール電極18と直接に物理的接触する可能性も増大する。この状況おいて、電流は、第3のモジュールを流れる代わりに、第1のモジュールから第3のモジュールのモジュール電極のみを通って第2のモジュールに流れる可能性がある。そのため、第3のモジュールのLEDは、活性化されない可能性がある。以降、この状況は、短絡と呼ばれ、望ましくないことがある。
したがって、2つの隣接するモジュールのモジュール電極が接触する可能性をできる限り大きくするように、同時に、短絡が生じる可能性をできる限り小さくするようにモジュール電極18のサイズを選択することができるのが理想であることが理解されるであろう。
複数対のモジュール電極18を設けることによって、モジュール電極18の全体的な面積を増加させ、同時に短絡の可能性を許容しうるレベルに維持することが可能である。このことが、図3Aでわかり、図3Aではモジュール10Cが2対のモジュール電極18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bを備える。本実施例において、モジュールは、単一のLED16とともに2つのブリッジ整流器20−1、20−2を備える。そのため、モジュール電極の極性にかかわらず、電流は、常に発光ダイオードのカソードに仕向けられる。
図3Bは、複数対のモジュール電極、18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bを有するモジュール10Dの代替の実施例を示す。本実施例において、各対、18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bは、逆並列のLEDの対、16−1A、16−2Aおよび16−1B、16−2Bと電気的に接続されている。
図3Cは、複数対のモジュール電極、18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bを含むモジュール10Eの別の代替の実施例を示す。本実施例において、モジュール10Eは、集積回路24および単一のLED16を備える。LED16のアノードおよびカソードは、モジュール電極、18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bのそれぞれが集積回路に接続されるように、集積回路に接続される。集積回路24は、最も高い電圧を有するモジュール電極18から最も低い電圧を有するモジュール電極(すなわち隣接するモジュール10Eと接触しているモジュール電極18の1つ)の方向に全電流をLED16を経由して流すように動作可能である。モジュール内部に集積回路24を設けることによって、LED16を個別にアドレスすること、調光することなどの機能性を追加することが可能になる場合がある。
図3A〜3Cにおいて、モジュール10のそれぞれは、モジュール電極の2つの対、18−1A、18−2Aおよび18−1B、18−2Bのみを含むように示される。しかし、モジュール10は、3つ以上の対を含んでもよい。加えて、モジュール電極のサイズおよび形状は、同じであるとして示されているが、異なるサイズおよび形状のモジュール電極18が代わりに使用されてもよい。例えば、モジュール電極18は、モジュール本体14の外部表面全体を実質的に覆うためにすき間なくぴったりとくっついた2つの異なる形状であってもよい。このように、モジュール電極の総計の面積が最大化されるが、個別のモジュール電極16それぞれが比較的小さいので、短絡の可能性は低い状態に保たれる。
図3Cの集積回路24は、2つ以上のLED16および/または1対のモジュール電極18を備えるモジュール10において使用されうることが理解されるであろう。
図4は、本発明による別のタイプのモジュール26の実施例を示す。図4におけるモジュール26は、以降端子モジュールと呼ばれる。
端子モジュール26は、モジュール本体14、および本実施例においては、本体14内部に設けられた2つのLED16を備える。他の実施例において、端子モジュール26は、ゼロ個または複数個のLED16を備えることができる。また、端子モジュール26は、少なくとも1つのモジュール電極18を備える。加えて、端子モジュール26は、ドライバ回路(図示せず)と接続するためのドライバ・コネクタ28も備える。ドライバ回路は、ドライバ・コネクタ28を介して、適切な周波数、電圧、電流などで端子モジュール26に電力を供給するように動作可能である。本実施例において、ドライバ・コネクタ28は、単にワイヤのみを備える。しかし、ドライバ・コネクタ28は、代わりにプラグ接続を受けるためのソケットを備えてもよいことが理解されるであろう。ドライバ・コネクタ28は、少なくとも1つのダイオード16と電気的に接続される。具体的には、本実施例において、端子モジュール26は、2つのLED、16−1、16−2を備え、ドライバ・コネクタ28が、第1のLED16−1のアノード、および第2のLED16−2のカソードと電気的に接続される。第2のLED16−2のアノードおよび第1のLED16−1のカソードは、モジュール電極18と電気的に接続される。
また、端子モジュール26は、無線電力伝達のための受信装置を含んでもよい。これによって、突き出る電力ケーブルのない照明システムが可能となる。さらに、これによって、(複数の無線電力受信装置が照明システム1に設けられる例において)照明システム1の配置および/または配向を自由に行うことができる。
端子モジュール26は、電流を、ドライバ・コネクタ28に対して又はドライバ・コネクタから、1つもしくは複数のLED16を経由して、正確に流すためのブリッジ整流器(図示せず)または集積回路(図示せず)に加えて、1つまたは複数の追加の表面電極の対(図示せず)を含んでもよい。
図5は、モジュール10のストリングを示し、ストリングの遠位端におけるモジュール10それぞれのモジュール電極18は、異なる端子モジュール26のモジュール電極18と直接に物理的接触している。
本発明による照明システム1は、システムの対向端部に位置する端子モジュール26を含んでもよい。端子モジュール26を適切な場所に置くことによって、電気エネルギーが通る経路に対してある制御が行われる。より具体的には、電気エネルギーは、最小の抵抗を提供する経路を通って進む。そのため、実質的に2つの端部端子26間にある照明システム1の領域内に設けられたLEDモジュールが明るくなる。
照明システム1は、システム内部の任意の適切な位置に配置される3つ以上の端子モジュール26を含んでもよい。1つまたは複数の端子モジュール26の対へのドライバ回路からの電流の流れを制御することによって、物体の全体にわたるモジュール10の異なるストリングに沿って電流が流れるようにすることで照明効果を実現することができる。加えて、3つ以上の端子モジュール26を設けることによって、一部のストリングが十分に機能していない場合に、モジュールの異なるストリングを使用できるようにすることで堅牢性が提供される。一部の実施例において、端子モジュール26は、システムの周辺に位置してもよい。他の実施例において、1つまたは複数の端子モジュール26は、システムの中央領域に配置されてもよく、1つまたは複数の他の端子モジュール26は、周辺に配置されてもよい。例えば、単一の端子モジュール26がシステムの中心に位置してもよく、複数のモジュールが周辺に位置してもよい。そうした実施例において、導電性経路は、システムの中心から始まり、縁部に向かって延在する。
ドライバ回路(図示せず)は、システム内部に成型されてもよく、それによってドライバ回路を幹線電力などの電源27に接続するようにシステムから1本のワイヤのみが延在する必要がある。
照明システム1を通る導電性経路の形成は、2つの隣接するモジュール10のモジュール電極18間の偶発的で直接的な物理的接触に依存する。この直接的な物理的接触は、時々阻害される場合がある。これに対処するために、非対称導電性銀ペーストがモジュール電極18に塗布されてもよい。このペーストは、任意選択で透明な、結合材料中に約20%の銀粒子を含んでいてもよい。ペーストを有する2つのモジュール電極18が互いに直接に物理的接触しているときに、120°Cの温度ステップによって銀接点が形成される。
また、2つの隣接するモジュール間の電気エネルギーの伝達の完全性を他の方法で保証する、または改善することができる。図6〜図8は、モジュール10の1つまたは複数のストリングに沿った電気エネルギーの伝搬(または電気エネルギー)を改善することができるLEDモジュール10を示す。
図6は、図2Aに示すものと実質的に同じモジュール10Fである。しかし、図6では、モジュール10Fは、永久磁気双極子を含む。磁気双極子は、2つのモジュール電極18間に延在する軸と位置合わせされる。磁気双極子は、本体14内部に含まれる永久双極子磁石によって提供されてもよい。2つのモジュール電極、18−1と18−2間の軸と位置合わせされた磁気双極子が存在することによって、隣接するモジュールが、それらのモジュール電極18が互いに物理的に接触するように、互いに位置合わせされるようになる。加えて、両極を有する2つのモジュール電極18が直接に物理的接触すると、磁力によってモジュール電極18間に強い物理的接触が形成される。また、モジュールを磁気的に誘導して位置合わせすることによって、短絡の発生が低減される。
図6のモジュール10Fは、代わりに1つのLED16のみを備えてもよい。磁極は、ストリング中の各モジュールが正確に位置合わせされ、その結果、カソード・モジュール電極(すなわちLED16のカソードに電気的に接続されるモジュール電極)が隣接するモジュール10Fのアノード・モジュール電極18に面するように、隣接するモジュール10Fの位置合わせを補助することができる。その結果、電気エネルギーは、正確に配向されていないモジュールによって妨げられることなく、モジュールのストリングに沿って流れることができる。
磁化されたモジュール10Fの使用によって、モジュール10Fのある程度の自己組織化、または自己配向が誘起される。そのため、磁化がモジュール・ストリングの形成を補助する。その結果、電気エネルギーがモジュールのストリングに沿って流れることができるパーコレーション閾値に達するために必要なモジュール10が少なくてもよい。
本発明による照明システム内部の磁化されたモジュール10Fは、成型処理前に、または成型処理中に印加される、外部から印加される磁場によって位置合わせされてもよい。
図示されていないが、図6の磁化されたモジュール10Fは、図3A〜図3Cを参照して説明したような、複数対のモジュール電極18、ブリッジ整流器20、および集積回路24のうちの1つまたは複数を備えることができることを理解されるであろう。
図7Aおよび図7Bは、代替のLEDモジュール10Gの概略の3次元図および断面図である。このモジュール10G、さらに図8に示すモジュールは、隣接するモジュール10Gのモジュール電極18間の接続の形成を支援するように、さらに短絡の回避を補助するように適合された物理的形状を有する。
図7Aおよび図7Bのモジュールは、2つの相対する平面電極を含む。本実施例において、モジュール10Gは、扁平な円柱であって、円柱の高さ(すなわち平面間の距離)は、円柱の直径よりも小さい。平面電極の存在は、図7Cからわかるように、モジュール10Gが組織的に配向して階層状のモジュールとなるのを補助する。
モジュール電極18−1、18−2は、モジュール10Gの平坦面上に設けられる。電気エネルギー(すなわちLED16を活性化させる電気エネルギー)の有効な流れは、主に垂直方向のモジュール10Gの階層間の方向であるが(図7C参照)、水平方向の電気エネルギーの伝搬は、主に短絡による。システムの上部および底部に端子モジュールを設けることによって、電気エネルギーを強制的に、主としてモジュールのストリングに沿って階層間の垂直方向に流すようにすることができ、それによって、LEDが明るくなる。成型前または成型中にモジュール10Gを振ることによって、階層となる自己整合を促進することができる。
図7Cに示すように、2つのLED16は、モジュール10G内部で逆並列の配置で設けられてもよい。あるいは、1つまたは複数のLED16は、図3Bに示したような1つまたは複数のブリッジ整流器または集積回路とともに設けられてもよい。また、モジュール10Gは、複数対のモジュール電極18を備えてもよい。
図7の実施例において、モジュールは円盤状であるが、モジュールは他の形状であってもよいことが理解されるであろう。う。例えば、モジュール10Fは、立方形であってもよい。
他の実施例によると、対の一方のモジュール電極が凹面で、もう一方が凸面であるモジュール10によって、モジュール10のストリングの形成を容易にすることができる。そのため、モジュールの凸面のモジュール電極は、隣接するモジュールの凹面のモジュール電極内部に位置することができる。このようなモジュールは、正確に配向する可能性がより高くなり、モジュール電極間の物理的な直接的接触がより堅牢になる可能性がある。
図8は、凸面および凹面のモジュール電極を含むモジュール10Hの図である。具体的には、モジュール10Hは、モジュール電極が設けられうる4つの突出部30、および他のモジュール電極が設けられる4つの凹部32を備える四面体である。LEDの任意の適切な配置(図示せず)を使用することができる。
あるモジュールの突出部が隣接するモジュールの凹部に設けられるモジュール10Hの形状によって、モジュール間の堅牢な相互接続が可能となる。このことが図8Bからわかり、この図8Bは、ストリングの2つのモジュール10Hを示す。
一部の実施例において、モジュールは、凸面および凹面のモジュール電極が半永久的に(すなわち、押しばめ(push fit)、または「クリック止め(click fit)」によって)互いにかみ合うように成形されてもよい。そうしたモジュールのストリングは、絶縁材料と混合する前に組み立てられてもよい。
あるいは、モジュールまたはモジュール電極の表面処理を使用することによってモジュール10の自己整合を促進することができる。例えば、疎水性のコーティングがモジュール10に施されてもよく、充填材料12は、水を主成分としてもよい。これによって、モジュールが直接に物理的接触する可能性が増加する。
上記の実施例において、モジュール10は、本体14、本体14の表面上に設けられるモジュール電極18を備える。しかし、一部のモジュールは、本体を省くことができる。上で言及したように、複合材料のパーコレーション閾値を決定する際に使用されうるモジュールの体積は、モジュール電極の位置、および体積内部に設けられるLEDの位置によって境界が定められる。そうした実施例において、モジュール電極をモジュールのLEDからさら遠くに延在させることによって、モジュールのサイズ(または体積)を増大させることができる。そうした実施形態において、モジュール電極は、任意の適切な形状のワイヤまたは表面電極を備えることができる。
他の実施例において、補足の半透明のシェル内部にモジュールを位置づけることによってモジュールのサイズを増大させることができる。シェルは、シェルの内側のモジュールのモジュール電極と物理的に接触する内部電極を有する。また、シェルは、内部電極と電気的に接続され、かつ新規の拡大したモジュールのモジュール電極を構成する外部電極を有する。端子モジュールは、(図4および図5において)実質的に球形であるとして単に示されているが、任意の適切な形状であってもよく、端子モジュールが使用されるLEDモジュールと実質的に同じ形状であってもよい。
図9は、LEDモジュール10Iの別の実施例の断面図である。モジュール10Iは、モジュール10I間の容量結合を使用して、隣接するモジュール10Iから電気エネルギーを受け取り、隣接するモジュール10Iに電気エネルギーを伝達するように構成される。本実施例において、モジュール電極18は、モジュール電極18上に設けられた薄い絶縁材料36の層を含む。この絶縁材料36の層は、2つの異なるモジュール10Iのモジュール電極18が直接に物理的接触しているとき、電荷が1つのモジュール電極18から別のモジュールに進むことができないことを意味する。代わりに、極性が形成され、2つのモジュール電極18の一方が負に帯電され、他方が正に帯電される。このことは、モジュールのストリングの全体にわたって生じ、電子が個々のモジュール10Iを通って隣接するモジュールの正に帯電されたモジュール電極18に向かって移動するにつれ、少なくとも1つの発光ダイオード16−1、16−2のうちの少なくとも1つが活性化される。
絶縁層36は、モジュールの本体14と一体的に形成されてもよい。言いかえれば、モジュール電極の導電性部分18は、本体が構成される材料の層が導電性部分18の表面上に設けられるように、本体14内部に埋め込まれてもよい。本体14を含まないモジュールを含む他の実施例において、絶縁層36は、単にモジュール電極18の導電性部分の表面上に設けられる絶縁材料のコーティングであってもよい。絶縁層36は、例えば、ガラス、樹脂、シリコーン、PMMA、PCもしくはPETなどのプラスチック、セラミック、または別の誘電体材料を備えてもよい。絶縁材料の層36は、例えば、厚さが0.001mmから1mmの間であってもよい。
図10は、容量的に結合するモジュール10Iのストリング、さらにある特定の時点における隣接するモジュール10Iのモジュール電極18間に形成される極性を示す。AC電源27の極性が変化するとともに、モジュール電極の極性もまた変化することは明らかである。
図10の実施例において、電源27は、インダクタ28と直列に接続されている。インダクタ28のインダクタンスは、モジュール10Iのストリングが共振周波数で駆動されるようにAC電源27の周波数と組み合わせて選択される。これによって、容量的に結合するモジュールのストリングの効率が増加する。
図10において、電源27に取付け、または、結合される端子モジュール38は、図4を参照して説明したものと実質的に同じであってもよいが、モジュール電極の導電性部分18上に設けられた絶縁材料の層36を含んでもよい。
図9Bは、図9Aの容量的に結合するモジュール10Iの代替の実施例を示す。本実施例において、モジュール10Jは、モジュール10Jの共振周波数を電源27の周波数にチューニングするためのインダクタ36を含む。図には明示的に示されていないが、容量的に結合するモジュール10I、10J(すなわち、絶縁材料の層36を含むモジュール電極を備えるモジュール)は、図2B、図3A、図3B、図6、図7A〜図7C、および図8A〜図8Bを参照して説明したモジュールの特徴の一部を含んでもよいことが理解されるであろう。う。そのため、容量的に結合するモジュールは、平面モジュール電極、磁化されたモジュール電極、凹面と凸面が対応するモジュール電極、ブリッジ整流器、集積回路、および複数対のモジュール電極を含んでもよい。また、端子モジュール38は、電源27から電力を無線で受け取るように適応されてもよい。一部の実施例において、図1〜図8を参照して説明したモジュールはいずれも、シェルのモジュール電極の導電性部分がモジュールのモジュール電極18と電気的に接触しているが、絶縁材料の層でカバーされている追加のシェルの内側にモジュールを位置づけることによって、容量結合するように改造されてもよい。
用語「備える」は、他の表面電極またはステップを除外せず、不定冠詞「1つの」(「a」)または「1つの」(「an」)は、複数を除外しないことが理解されるであろう。単一のプロセッサは、特許請求の範囲に列挙されるいくつかのアイテムの機能を履行することができる。ある手段が相互に異なる従属クレームで列挙されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないということを示さない。クレームにおけるいずれの引用符号もクレームの範囲を限定するものとして解釈されるべきでない。
クレームは、本出願において特徴の特定の組み合わせで策定されているが、本発明の開示の範囲は、いずれかのクレームにおいて現在特許請求されるものと同じ発明に関するかどうかにかかわらず、かつ親発明が軽減する同じ技術的問題のいずれかもしくはすべてを軽減するかどうかにかかわらず、本明細書で明示的にもしくは暗黙に開示されたいかなる新規な特徴または特徴のいかなる新規な組み合わせ、あるいは、それらのいかなる一般化形態をも含むことを理解されたい。出願人は、本出願、もしくは本出願から派生するいかなるさらなる出願の手続き中にそうした特徴および/または特徴の組み合わせに対して新しいクレームが策定されてもよいことをここに告知する。
以下の特許請求の範囲内にある他の変更形態および変形形態は、当業者にとって明らかであろう。

Claims (12)

  1. 複合材料を含む半透明部分を有する照明システムであって、
    前記複合材料は、半透明の絶縁充填材料の中に埋め込まれた複数の離散的な発光ダイオード・モジュールを備え、
    各発光ダイオード・モジュールは、発光ダイオード、および、少なくとも第1のモジュール電極と第2のモジュール電極とを備え、
    前記第1のモジュール電極は、前記発光ダイオードのカソードと電気的に接続しており、かつ、前記第2のモジュール電極は、前記発光ダイオードのアノードと電気的に接続しており、
    前記複合材料の単位体積当たりの離散的な発光モジュールの数量は、パーコレーション閾値を超えており、その結果、
    前記複合材料の体積全体には、無作為に形成された導電性経路のネットワークがかけられ、
    各導電性経路は、隣接する発光ダイオード・モジュールのストリングを備えており、
    前記ストリング中の前記発光ダイオード・モジュールそれぞれの少なくとも1つのモジュール電極は、前記ストリング中の隣接する発光ダイオード・モジュールのモジュール電極と直接に物理的接触しており、
    その結果、電圧が前記ストリング両端間に印加される場合、前記ストリング中の各発光ダイオード・モジュールに電流が流れ、それにより、前記ストリング中の各発光ダイオード・モジュールの前記発光ダイオードを活性化する、
    ことを特徴とする照明システム。
  2. 各発光ダイオード・モジュールの前記モジュール電極は、モジュール電極間の体積を画成し、
    前記発光ダイオードは、前記体積内部に位置し、
    前記第1および第2のモジュール電極は、前記体積の相対する側の上にあり、
    前記第1のモジュール電極と前記第2のモジュール電極との間に延在する軸が、前記体積の中心点を通過する、
    請求項に記載の照明システム。
  3. 各発光ダイオード・モジュールは、本体を備え、
    前記本体の少なくとも一部は、半透明であり、
    前記発光ダイオードは、前記本体の前記半透明部分の中に包含され、
    前記発光ダイオードによって放射された光は、前記本体の外側から検出することができ、かつ、
    各発光ダイオード・モジュールの前記第1および第2のモジュール電極のそれぞれは、前記本体の外部表面上に設けられた表面電極を備える、
    請求項1または2に記載の照明システム。
  4. 各発光ダイオード・モジュールは、前記電圧の極性にかかわらず、
    電圧差が前記第1および第2のモジュール電極の両端間に印加される場合、前記発光ダイオードまたは第2の発光ダイオードが活性化される、ように構成されている、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載の照明システム。
  5. 各発光ダイオード・モジュールは、
    前記発光ダイオードと、
    前記第2の発光ダイオードと、を備え、
    前記発光ダイオードの前記カソードおよび前記第2の発光ダイオードの前記アノードは、前記第1のモジュール電極と電気的に接続され、かつ、
    前記第2の発光ダイオードの前記カソードおよび前記発光ダイオードの前記アノードは、前記第2のモジュール電極と電気的に接続されている、
    請求項に記載の照明システム。
  6. 各発光ダイオード・モジュールは、
    前記発光ダイオードと電気的に接続されたブリッジ整流回路であり、前記第1および第2のモジュール電極の両端間に印加される前記電圧差の前記極性にかかわらず、前記発光ダイオードが活性化されるブリッジ整流回路、または
    集積回路であり、前記第1および第2のモジュール電極の両端間に印加される前記電圧差の前記極性を決定し、かつ、より高い電圧を有する前記モジュール電極から前記発光ダイオードの前記カソードへ電流を流す経路を定めるように構成された集積回路、
    を備える、
    請求項に記載の照明システム。
  7. 前記発光ダイオード・モジュールのそれぞれは、第3のモジュール電極および第4のモジュール電極を備え、
    前記第3のモジュール電極が前記発光ダイオードの前記カソードと電気的に接続され、かつ、前記第4のモジュール電極が前記発光ダイオードの前記アノードと電気的に接続されているか、または、
    前記第3のモジュール電極が別の発光ダイオードの前記カソードと電気的に接続され、前記第4のモジュール電極が前記別の発光ダイオードの前記アノードと電気的に接続されている、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載の照明システム。
  8. 各発光ダイオード・モジュールの前記モジュール電極は、平面電極を備えている、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載の照明システム。
  9. 各発光ダイオード・モジュールの前記モジュール電極の一方は凹面形状であり、かつ、
    各発光ダイオード・モジュールの他方のモジュール電極は凸面形状である、
    請求項1乃至のいずれか一項に記載の照明システム。
  10. 各発光ダイオード・モジュールは、前記第1のモジュール電極と前記第2のモジュール電極の間に延在する軸と実質的に位置合わせされた磁気双極子を備える、
    請求項1乃至9のいずれか一項に記載の照明システム。
  11. 前記照明システムは、
    少なくとも2つの端子モジュールを備え、
    前記端子モジュールは、前記ストリングの対向端部において前記発光ダイオード・モジュールと直接に物理的接触しており、
    前記端子モジュールは、
    前記発光ダイオード・モジュールのモジュール電極と物理的接触しているモジュール電極と、
    電源から電力を受け取るため、または、電源に電力を伝達するための電力伝達要素と、
    を備える、
    請求項1乃至10のいずれか一項に記載の照明システム。
  12. 各発光ダイオード・モジュールの各モジュール電極は、絶縁層によってカバーされており、
    電圧が前記ストリング両端間に印加される場合、直接に物理的接触している前記発光ダイオード・モジュールは、お互いに容量結合する、
    請求項1乃至11のいずれか一項に記載の照明システム。
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