JP7366645B2 - 発光素子駆動装置、光源ユニットおよび発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光素子駆動装置、当該発光素子駆動装置を備える光源ユニット、および当該光源ユニットを備える発光装置に関する。

従来、店舗におけるショーケースの内部、または看板の内部などにおいて、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた発光装置が使用されている。このような発光装置のうち、最も安価なものは、直並列に接続された複数のＬＥＤと抵抗素子とを直接に接続した回路構成を有する。当該回路構成は、抵抗での電力損失が大きいデメリットと、入力電圧を変化させることで調光できるというメリットとを有する。

抵抗での電力損失を改善する方法として、ＬＥＤをスイッチング方式で駆動させることが挙げられる。特許文献１には、基本ＬＥＤドライバとＬＥＤ装置との間に接続可能であるＬＥＤ調光器が開示されている。当該ＬＥＤ調光器は、ＬＥＤドライバ、調光器回路、およびコントローラを備える。

特開２０１７－５３４１３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているＬＥＤ調光器では、入力電圧を変化させてもＬＥＤに出力される電流は一定であるため、入力電圧を変化させることによる調光はできない。このため、当該ＬＥＤ調光器では、ＬＥＤドライバによる入力電圧とは別に、ＬＥＤに出力される電流を制御するための制御入力が必要であり、構成が複雑であるという問題がある。

本発明の一態様は、入力電圧を変動させることによる調光が可能、かつ抵抗における損失を低減可能な発光素子駆動装置などを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る発光素子駆動装置は、第１端子と第２端子との間に直流の第１電圧が入力される、前記第１端子および前記第２端子と、一端が前記第１端子に接続され、第２電圧を生成する電圧生成部、および、一端が前記電圧生成部の他端に接続され、他端が前記第２端子に接続される抵抗部を備え、前記抵抗部の両端の間の電圧を参照電圧として出力する参照電圧生成回路と、前記第１端子に接続される第３端子、前記第２端子に接続される第４端子、および前記参照電圧が入力される参照端子を有し、前記参照電圧に対して一次関数的な変化を示す電流を発光素子に出力する駆動回路と、を備え、前記参照電圧は、前記第１電圧と前記第２電圧との絶対値の差分の電圧であり、前記第２電圧は、定電圧である。

本発明の一態様によれば、入力電圧を変動させることによる調光が可能、かつ抵抗における損失を低減可能な発光素子駆動装置などを実現できる。

実施形態１に係る発光装置の構成を示す図である。 従来の発光装置の構成の例を示す図である。 実施形態２に係る発光装置の構成を示す図である。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

図１は、実施形態１に係る発光装置１０００の構成を示す図である。図１に示すように、発光装置１０００は、光源ユニット１と、定電圧源２００とを備える。光源ユニット１は、発光素子駆動装置１０および発光素子群１００（発光素子）を備える。発光素子駆動装置１０は、第１端子１１、第２端子１２、参照電圧生成回路２０、駆動回路３０、およびコンデンサ４０を備える。

定電圧源２００は、第１端子１１と第２端子１２との間に所定の直流電圧（第１電圧）を入力する。換言すれば、第１端子１１と第２端子１２との間に直流の第１電圧が入力される。定電圧源２００においては、第１電圧を変動させることが可能である。具体的には、定電圧源２００においては、第１電圧に最大値が設定され、当該最大値またはそれよりも低い値に第１電圧を変動させることが可能である。第１電圧の最大値は、例えば５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、または４８Ｖなどである。定電圧源２００と第１端子１１との間には、過大な電流が定電圧源２００から光源ユニット１に流れることを防止するためのヒューズ（不図示）が配される。

参照電圧生成回路２０は、駆動回路３０が出力する電流を決定するための参照電圧を出力する。参照電圧生成回路２０は、定電圧生成部２１（電圧生成部）および抵抗部２２を備える。

定電圧生成部２１の一端は、第１端子１１に接続される。定電圧生成部２１は、上記一端と、当該一端とは逆側の他端との間に、所定の定電圧（第２電圧）を生成する。第２電圧は、上記他端に対する上記一端の電位差であり、絶対値が第１電圧よりも小さい。第２電圧の大きさは、発光素子の順方向電圧などを考慮して適宜設定されてよい。定電圧生成部２１は、例えばツェナーダイオード、ＬＥＤまたはシャントレギュレータである。また、参照電圧生成回路２０は、定電圧生成部２１の代わりに抵抗素子を備えていてもよい。この場合、抵抗素子は、第１電圧および抵抗部２２の抵抗値に応じた電圧を生成する。

抵抗部２２は、所定の抵抗値を有する抵抗素子である。また、抵抗部２２は、複数の抵抗素子を含んでいてもよい。抵抗部２２の一端は、定電圧生成部２１の、第１端子１１に接続される一端とは逆側の他端に接続される。抵抗部２２の他端は、第２端子１２に接続される。抵抗部２２の両端の間には、第１電圧と第２電圧との絶対値の差分の電圧が印加される。参照電圧生成回路２０は、抵抗部２２の両端の間の電圧を参照電圧として出力する。

発光素子駆動装置１０において、抵抗部２２に流れる電流は、１ｍＡ以下である。より詳細には、抵抗部２２の抵抗値の大きさは、当該抵抗部２２に流れる電流が１ｍＡ以下になるように設定されている。例えば第１電圧の最大値が２４Ｖであり、第２電圧が２１Ｖである場合、抵抗部２２の両端の間の電圧の最大値は３Ｖである。この場合、抵抗部２２の抵抗値を３ｋΩ以上とすれば、抵抗部２２に流れる電流は１ｍＡ以下になる。

駆動回路３０は、発光素子群１００に電流を出力する。駆動回路３０は、第３端子３１、第４端子３２、および参照端子３３を備える。第３端子３１は、第１端子１１に接続される。第４端子３２は、第２端子１２に接続される。参照端子３３は、抵抗部２２の、定電圧生成部２１と接続されている側の一端に接続される。これにより、上述した参照電圧が参照端子３３に入力される。駆動回路３０は、所定の出力電圧、かつ参照電圧に応じた電流を発光素子群１００に出力する。

コンデンサ４０は、駆動回路３０から出力される電流を平滑化するコンデンサである。コンデンサ４０は、発光素子群１００と並列に接続される。

実施形態１における駆動回路３０は、スイッチング方式の降圧コンバータである。なお、駆動回路３０は、昇圧コンバータであってもよい。ただし、駆動回路３０が昇圧コンバータである場合には、コンデンサ４０への突入電流が大きくなる。これに対し、駆動回路３０を降圧コンバータとした場合、発光装置１０００の電源のオン／オフ時に、定電圧源２００と第１端子１１との間に配されたヒューズに流れる突入電流を低減することができる。したがって、当該ヒューズが切れて発光装置１０００が故障する虞が低減される。

発光素子駆動装置１０においては、第１電圧と駆動回路３０が出力する電圧との差は６Ｖ以下であることが好ましい。一般に、スイッチング方式の降圧コンバータにおける損失は、入力電圧と出力電圧との差が小さいほど小さくなる。このため、第１電圧、すなわち駆動回路３０に入力される電圧と、駆動回路３０が出力する電圧と、の差を６Ｖ以下とすることで、駆動回路３０における損失を低減することができる。

例えば第１電圧の最大値が１２Ｖである場合には、駆動回路３０が出力する電圧を９Ｖまたは６Ｖとしてよい。また、第１電圧の最大値が２４Ｖである場合には、駆動回路３０が出力する電圧を２１Ｖまたは１８Ｖとしてよい。また、第１電圧の最大値が４８Ｖである場合には、駆動回路３０が出力する電圧を４５Ｖまたは４２Ｖとしてよい。

また、駆動回路３０においては、入力電圧が大きければ、出力電圧が大きくなるとともに出力電流が小さくなり、発光素子群１００における損失が小さくなる。このため、第１電圧の最大値は、例えば上記の例のうちでは４８Ｖとすることが好ましい。ただし、第１電圧の最大値はこれに限られない。

発光素子群１００は、複数の発光素子を含む。実施形態１では、発光素子はＬＥＤである。ただし、発光素子は、有機ＥＬ（Electro Luminescence）素子などであってもよい。発光素子群１００は、任意の数の発光素子を備えていてよい。また、発光素子駆動装置１０には、発光素子群１００の代わりに単一の発光素子が接続されていてもよい。

表１は、発光装置１０００における調光特性を示す表である。調光特性は、第１電圧と出力電流（ＬＥＤ電流）との関係である。また、表１には第１電圧に対応する参照電圧も併せて示している。表１においては、第１電圧の最大値が２４Ｖであり、第２電圧が２１Ｖであるものとしている。

表１に示すように、発光装置１０００において、駆動回路３０は、参照電圧に対して一次関数的な変化を示すＬＥＤ電流を出力する。表１に示す例では、駆動回路３０は、参照電圧に比例するＬＥＤ電流を出力している。また、参照電圧は第１電圧に対して一次関数的な変化を示す。このため、出力電流は第１電圧に対して一次関数的な変化を示す。したがって、発光装置１０００においては、第１電圧を変動させることで、発光素子群１００の調光を行うことができる。

また、発光素子駆動装置１０においては、駆動回路３０が出力する電流が、発光素子群１００と直列に接続されていない抵抗部２２の両端の間の電圧により決定される。このため、発光素子駆動装置１０においては、発光素子群１００を発光させるための電流と同じ大きさの電流を抵抗部２２に流す必要がない。したがって、抵抗部２２の抵抗値を上述したように設定し、抵抗部２２に流れる電流を小さくすることで、発光素子駆動装置１０における損失を低減し、電力効率を向上させることができる。

図２は、従来の発光装置９０００の構成の例を示す図である。図２に示すように、発光装置９０００は、光源ユニット９および定電圧源２００を備える。光源ユニット９は、発光素子群１００および電流制限抵抗１１０を備える。電流制限抵抗１１０は、発光素子群１００に流れる電流の大きさを決定する抵抗素子である。光源ユニット９においては、定電圧源２００の第１端子に発光素子群１００の一端が接続されている。また、電流制限抵抗１１０の一端が発光素子群１００の他端に接続され、電流制限抵抗１１０の他端が第２端子１２に接続される。光源ユニット９においては、電流制限抵抗１１０の両端の間の電圧に応じた電流が発光素子群１００に流れる。

表２は、光源ユニット９における第１電圧、電流制限抵抗１１０の両端の間の電圧（抵抗両端電圧）、および発光素子群１００に流れる電流（ＬＥＤ電流）の関係を示す表である。表２においては、第１電圧の最大値が２４Ｖであり、発光素子群１００が発光素子としてのＬＥＤを７個備え、かつ個々のＬＥＤの順方向電圧が３Ｖであるものとしている。この場合、電流制限抵抗１１０の両端の間の電圧は第１電圧に応じて変動し、上限は３Ｖである。

表２に示すように、発光装置９０００における調光特性は、表１に示した、発光装置１０００における調光特性と一致している。換言すれば、発光装置１０００によれば、発光装置９０００よりも高い電力効率で発光装置９０００と同様の調光特性を得ることができる。

特に、発光装置９０００においては、第１電圧が大きい場合には発光素子群１００と直列に接続される電流制限抵抗１１０での損失が大きくなるため、消費電力が増大するとともに、発光装置９０００の信頼性が低下する。発光装置１０００によれば、このような消費電力の増加および信頼性の低下が低減される。

また、例えば発光装置９０００において、発光素子群１００を互いに直列に接続された８個のＬＥＤとした場合、電流制限抵抗１１０の両端の間の電圧は０となり、電流が流れなくなる。したがって、発光装置９０００においては発光素子群１００を互いに直列に接続された８個のＬＥＤとすることはできない。このように、発光装置９０００においては、発光素子群１００の構成は第１電圧に応じて制限される。

これに対し、発光装置１０００の調光特性は、定電圧源２００が出力する電圧、および定電圧生成部２１が生成する電圧のみによって決定される。このため、発光素子群１００の構成、例えば発光素子群１００に含まれる発光素子の数および配置を変更しても、調光特性は一定である。したがって、発光装置１０００においては、発光素子の数および配置を自由に選択することができる。

また、発光装置１０００においては、上記のとおり損失が低減されることで、当該発光装置１０００における発熱が低減される。一般に、ＬＥＤ等の発光素子の寿命は、温度が高くなるほど短くなる。このため、発光装置１０００における発熱が低減されることで、発光素子の寿命を向上させることができる。

さらに、発光装置１０００を冷蔵ショーケースまたは冷凍ショーケースなどで用いる場合には、発光装置１０００における発熱が低減されるため、冷蔵または冷凍に要する電力を低減することができる。したがって、発光装置１０００によれば冷蔵ショーケースまたは冷凍ショーケース全体での電力損失を低減できる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

図３は、実施形態２に係る発光装置２０００の構成を示す図である。図３に示すように、発光装置２０００は、光源ユニット１の代わりに光源ユニット２を備える点で発光装置１０００と相違する。光源ユニット２は、発光素子駆動装置１０の代わりに発光素子駆動装置１０Ａを備える点で光源ユニット１と相違する。発光素子駆動装置１０Ａは、発光素子駆動装置１０が備える各構成要素に加えて、ＬＰＦ（ローパスフィルタ、Low Pass Filter）５０を備える。ＬＰＦ５０は、所定の周波数以下の電圧のみを通過させるフィルターである。

ＬＰＦ５０は、ＬＰＦ抵抗素子５１およびＬＰＦコンデンサ５２を備える。ＬＰＦ抵抗素子５１の一端は、定電圧生成部２１の上記他端、および抵抗部２２の上記一端に接続されている。ＬＰＦ抵抗素子５１の他端は、第３端子３１に接続される。ＬＰＦコンデンサ５２の一端は、ＬＰＦ抵抗素子５１の上記他端に接続される。ＬＰＦコンデンサ５２の他端は、第２端子１２に接続される。すなわち、光源ユニット２においては、参照電圧生成回路２０は、ＬＰＦ５０を介して参照電圧を駆動回路３０の参照端子３３に入力する。ＬＰＦ抵抗素子５１の抵抗値およびＬＰＦコンデンサ５２の容量は、通過させるべき電圧の周波数の上限を考慮して適宜設定されればよい。

光源ユニット２においては、定電圧源２００が出力する電圧に変動が生じた場合に、当該変動の高周波成分がＬＰＦ５０により遮断される。このため、発光素子群１００が発する光のチラつきを防止できる。また、光源ユニット２においては、ＬＰＦ５０を備えることで、発光素子群１００およびコンデンサ４０への突入電流が低減されるため、発光素子群１００およびコンデンサ４０の負荷を低減することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る発光素子駆動装置は、第１端子と第２端子との間に直流の第１電圧が入力される、前記第１端子および前記第２端子と、一端が前記第１端子に接続され、第２電圧を生成する電圧生成部、および、一端が前記電圧生成部の他端に接続され、他端が前記第２端子に接続される抵抗部を備え、前記抵抗部の両端の間の電圧を参照電圧として出力する参照電圧生成回路と、前記第１端子に接続される第３端子、前記第２端子に接続される第４端子、および前記参照電圧が入力される参照端子を有し、前記参照電圧に対して一次関数的な変化を示す電流を発光素子に出力する駆動回路と、を備えている。

上記の構成によれば、光源ユニットは、第１端子および第２端子と、参照電圧生成回路と、駆動回路とを備える。第１端子と第２端子との間に、直流の第１電圧が入力される。参照電圧生成回路は、一端が第１端子に接続されて第２電圧を生成する電圧生成部と、両端がそれぞれ電圧生成部の他端および第２端子に接続される抵抗部とを備え、抵抗部の両端の間の電圧を参照電圧として出力する。駆動回路は、参照電圧に対して一次関数的な変化を示す電流を発光素子に出力する。

参照電圧は、第１電圧に対して一次関数的な変化を示す。したがって、光源ユニットによれば、第１電圧を変化させることによる調光が可能である。さらに、光源ユニットによれば、発光素子に流れる電流と同じ大きさの電流を抵抗部に流す必要がないため、抵抗部における損失を低減することができる。

本発明の態様２に係る発光素子駆動装置は、上記態様１において、前記駆動回路は、スイッチング方式の降圧コンバータであることが好ましい。

上記の構成によれば、発光装置の電源のオン／オフ時の突入電流が低減されるため、発光装置が故障する虞が低減される。

本発明の態様３に係る発光素子駆動装置は、上記態様１または２において、前記第１電圧と前記駆動回路が出力する電圧との差は６Ｖ以下であることが好ましい。

上記の構成によれば、駆動回路における入力電圧と出力電圧との差が比較的小さいため、駆動回路で生じる損失が小さくなる。

本発明の態様４に係る発光素子駆動装置は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記抵抗部に流れる電流は、１ｍＡ以下であることが好ましい。

上記の構成によれば、抵抗部に流れる電流が十分に小さいため、当該抵抗部における電力損失が十分に抑制される。

本発明の態様５に係る発光素子駆動装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、所定の周波数以下の電圧のみを通過させるローパスフィルタをさらに備え、前記参照電圧生成回路は、前記ローパスフィルタを介して前記参照電圧を前記参照端子に入力することが好ましい。

上記の構成によれば、定電圧源が出力する電圧に変動が生じた場合に、高周波成分がローパスフィルタにより遮断されるため、発光素子が発する光のチラつきを防止できる。また、発光素子、および当該発光素子に流れる電流を平滑化するためのコンデンサに流れる突入電流がローパスフィルタにより低減されるため、発光素子およびコンデンサへの負荷が小さくなる。

本発明の態様６に係る光源ユニットは、態様１～５のいずれかの発光素子駆動装置と、 前記発光素子とを備える。

上記の構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。

本発明の態様７に係る発光装置は、態様６の光源ユニットと、前記第１端子と前記第２端子との間に前記第１電圧を入力し、かつ前記第１電圧を変動させることが可能な定電圧源とを備える。

上記の構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

１、２ 光源ユニット
１０、１０Ａ 発光素子駆動装置
１１ 第１端子
１２ 第２端子
２０ 参照電圧生成回路
２１ 定電圧生成部（電圧生成部）
２２ 抵抗部
３０ 駆動回路
３１ 第３端子
３２ 第４端子
３３ 参照端子
５０ ＬＰＦ（ローパスフィルタ）
１００ 発光素子群（発光素子）
２００ 定電圧源
１０００、２０００ 発光装置

Claims (7)

1. 第１端子と第２端子との間に直流の第１電圧が入力される、前記第１端子および前記第２端子と、
   一端が前記第１端子に接続され、第２電圧を生成する電圧生成部、および、一端が前記電圧生成部の他端に接続され、他端が前記第２端子に接続される抵抗部を備え、前記抵抗部の両端の間の電圧を参照電圧として出力する参照電圧生成回路と、
   前記第１端子に接続される第３端子、前記第２端子に接続される第４端子、および前記参照電圧が入力される参照端子を有し、前記参照電圧に対して一次関数的な変化を示す電流を発光素子に出力する駆動回路と、を備え、
   前記参照電圧は、前記第１電圧と前記第２電圧との絶対値の差分の電圧であり、
   前記第２電圧は、定電圧であることを特徴とする発光素子駆動装置。
2. 前記駆動回路は、スイッチング方式の降圧コンバータであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動装置。
3. 前記第１電圧と前記駆動回路が出力する電圧との差は６Ｖ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子駆動装置。
4. 前記抵抗部に流れる電流は、１ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発光素子駆動装置。
5. 所定の周波数以下の電圧のみを通過させるローパスフィルタをさらに備え、
   前記参照電圧生成回路は、前記ローパスフィルタを介して前記参照電圧を前記参照端子に入力することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発光素子駆動装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の発光素子駆動装置と、
   前記発光素子とを備えることを特徴とする光源ユニット。
7. 請求項６に記載の光源ユニットと、
   前記第１端子と前記第２端子との間に前記第１電圧を入力し、かつ前記第１電圧を変動させることが可能な定電圧源とを備えることを特徴とする発光装置。

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