JPWO2009001478A1 - 蛍光灯互換型ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

蛍光灯に用いられるガラス蛍光管（２）と、深紫外線を射出するＬＥＤ（３）と、前記蛍光管（２）内に収容または配置され、ＬＥＤ（３）からの光を拡散又は散乱させる光散乱部材（５）と、前記蛍光管（２）に取り付けられ、蛍光灯に固有の電気変換回路（Ａ１）からの出力を再変換し、前記ＬＥＤ（３）に供給する再変換回路（４）を備えてなり、前記ＬＥＤ（３）の表面には表面電極（３２）を設け、前記表面電極（３２）に亘って間欠的に複数の貫通孔（３２１）を形成し、前記貫通孔（３２１）に深紫外光又は紫外光を集光し透過する誘電体アンテナ（３６）を設けた全光量や照度などで従来からの蛍光灯に劣らず、かつ、高効率である蛍光灯互換型ＬＥＤ照明器（１）を提供する。

Description

本発明は、ＬＥＤを光源としながらも既存の蛍光管に置き換え可能な蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置に関するものである。

蛍光灯は、蛍光ガラス管の内部に封入されている気体の水銀と、蛍光管フィラメントから飛び出した電子との衝突によって生じる紫外線が、蛍光ガラス管の内側に塗布されている蛍光体に当たって、その蛍光体が発光し、蛍光管外に可視光線を照射するものである。かかる蛍光灯は、白熱灯と比べると同じ明るさでも消費電力を低く抑えられ、発熱量が小さいという特徴を有しており、我が国では広く一般に普及して、大量に生産されている。

一方、近時ではＬＥＤの開発が進み、青色や紫外光を発するものに加えてハイパワーなものも開発されて、従来のようにインジケータ用途のみならず、一般的な照明装置にもその用途が広がりつつある。（特許文献1、２参照）

ＬＥＤは、蛍光灯に比べて長寿命で光量も安定しており、始動に時間がかかったり、廃棄の問題があったりすることはない。しかし、全光量や照度などという点において、ＬＥＤはいまだ蛍光灯の後塵を拝しており、ハイパワー化が進み単位発光面積あたりの光量が増大しているとはいえ、トータルとして蛍光灯並みの光量を得ようとすると、多くのＬＥＤが必要となるうえ、発熱量も非常に多くなり、例えば、特許文献１、２に示すように、放熱部材が必要となる。
特開２００５−１６６５７８号広報 特開２００７−１０９５０４号公報

本願発明は、このようなＬＥＤの欠点を解消し、一般の照明装置へのＬＥＤの利用可能性を大きく推し進めるべくなされたものであって、既に市販され、広く標準品となっている蛍光灯の本体をそのまま利用することができる蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置を提供することをその主たる目的としたものである。

すなわち、本発明に係る蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置は、以下の（１）〜（４）を備えたものである。（１） 蛍光灯に用いられる蛍光管（２） 簿板状をなしその厚み方向の中間に形成された発光層から深紫外光又は紫外光を放射する半導体素子本体、その半導体素子本体の表面に設けられた表面電極、及びその表面電極の全体に亘って間欠的に設けられた複数の貫通孔にそれぞれ形成されて前記半導体素子本体から放射される深紫外光又は紫外光を集光し透過させる誘電体アンテナを具備し、前記蛍光管の内方に向かって深紫外光又は紫外光を射出するように当該蛍光管に取り付けられたＬＥＤ（３） 前記蛍光管内に収容又は配置され、前記ＬＥＤからの光を拡散又は散乱させる光散乱部材（４） 前記蛍光管にそれぞれ取り付けられて、安定器、点灯管、インバータなど蛍光灯に固有の電気変換回路からの出力を再変換し、前記ＬＥＤに供給する再変換回路

このようなものであれば、蛍光管にＬＥＤや光散乱部材、再変換回路が一体に取り付けられているので、新たなアダプタや機器を必要とすることなく、既存の蛍光灯本体に取り付けるだけで作動させることができる。

また、水銀気体とほぼ同じ波長の光を照射する深紫外光照射タイプのＬＥＤを用いれば、既存の蛍光管をそのまま転用でき、新たな開発コストや製造コストを可及的に削減できる。

さらに、本発明では、（表）面電極によって半導体素子本体に一様な電界が与えられるので、ＬＥＤを理想的に面発光させて大光量を得ることが容易にできる。一方、面電極にすると、通常はこの面電極が光を遮るため、外部への光の取り出し効率が極端に悪くなる。これに対して、本発明では、電極に多数の誘電体アンテナを貫通させているので、電磁波である光がこれら誘電体アンテナに集光されて外部に射出されることとなり、電極での遮光影響を大きく低減することができる。つまり、理想的な面発光を行ないつつもそこで発生した大光量を外部へ高効率で取り出すことができる。その効率は従来の２倍以上にもでき、その結果、本発明によれば、一般照明に必要とされる光量を担保しながらも、高効率である分、発熱を抑えることができるようになり、放熱部材を不要として既存の蛍光管に完全に置き換え可能な照明装置を提供することができる。

前記ＬＥＤの具体的配置態様としては、ＬＥＤを、その発光面を蛍光管の長手方向と直交させた姿勢で、当該蛍光管の両端部にそれぞれ取り付けておくことが望ましい。このようなものであれば、蛍光管の軸を中心とした回転対称構造となるので、蛍光管全面を好適に発光させることができ、当該蛍光管を、蛍光灯本体にどのような回転角度で取り付けても同じ照明を得ることができる。

一方、前記ＬＥＤを、その発光面を蛍光管の長手方向と平行にした姿勢で、当該蛍光管内に配置するようにしてもよい。このようにすればＬＥＤの大面積化、ひいては大光量化をより容易に実現することができる。

ＬＥＤからの光がむらなく蛍光管に照射されて、蛍光管全体が光るようにするには、例えば、前記光散乱部材として、蛍光管内に封入した浮遊する光散乱粒子を用いればよい。

また、他の例としては、前記光散乱部材が、外周面に複数の光散乱部を有するとともにＬＥＤ間に架け渡されてその両端面から内部に深紫外光又は紫外光を導入される長尺状のライトガイドであり、その内部に導入された深紫外光又は紫外光が光散乱部で散乱して外方に放射されるように構成したものなども挙げることができる。

このように構成した本発明によれば、ＬＥＤ照明装置を既存の蛍光灯本体に取り付けるだけで、放熱部材等を必要とすることなく、作動させることができる。 また、ＬＥＤが深紫外光又は紫外光を照射するので、既存の蛍光管をそのまま転用でき、新たな開発コストや製造コストを可及的に削減できる。 さらに、ＬＥＤには、多数の誘電体アンテナと表面電極を用いているので、高効率で面発光を行わせることができる。 しかも、その光を光散乱部材によって、散乱させるので、蛍光管全体を光らせることができる。

図１は本発明の一実施形態における蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す概観図である。 図２は同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図である。 図３は同実施形態における面発光ＬＥＤの模式的斜視図である。 図４は本発明の他の実施形態における面発光ＬＥＤの模式的断面図である。 図５は本発明のさらに他の実施形態における蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す概観図である。 図６は本発明のさらに他の実施形態における蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置の内部構造を示す概観図である。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図６を参照して説明する。

本実施形態にかかる蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置１は、図１に示すように、蛍光灯に用いられるガラスの蛍光管２と、その蛍光管２の両端部に発光面を対向させて、すなわち発光面を長手方向と直交させた姿勢でそれぞれ取り付けられた面発光型の深紫外ＬＥＤ３と、それらＬＥＤ３に適切な電力を供給するための再変換回路４と、各ＬＥＤ３から射出された光を拡散又は散乱させる光散乱粒子５とを備えている。

各部を説明する。

蛍光管は蛍光材を塗布したガラス製の円筒状のものであり、既存の蛍光灯本体Ａに取り付けられる。

ＬＥＤ３は、図２及び図３に示すように、ＰＮ接合構造を有した簿板状をなす半導体素子本体３１と、その半導体素子本体３１の表面を略覆うように設けられた表面電極３２と、半導体素子本体３１の裏面を略覆うように設けられた裏面電極兼反射板３３とを備えており、その中間のＰＮ境界領域３４から深紫外（約５０ｎｍ〜約３００ｎｍ、好ましくは水銀の波長（２５３．７ｎｍ近傍））の光を射出するものである。なお、電力供給用のリード線３５は半導体素子本体３１の周縁部に接続されている。

前記表面電極３２には、前記表面電極３２の略全体に亘って一定ピッチで複数の貫通孔３２１が厚み方向に形成してあって、それら各貫通孔３２１には、前記半導体素子本体３１から放射される深紫外光を集光し透過させる大きさの誘電体アンテナ３６を設けている。この誘電体アンテナ３６が、光に対して誘電体アンテナ３６としての機能を有効に発揮するためには、具体的な大きさとして、高さ、幅（径）ともに、光の波長の数分の１から十数倍程度である必要がある。より好ましくは、１／３から３倍程度がよい。また、誘電体アンテナ３６の形状は、図２及び図３では円柱状であるが、多角形柱、楕円柱などでもよい。さらに、誘電体アンテナ３６は、半導体素子本体３１と連続一体のものでもよいし、図４に示すように誘電率の異なる別部材としてもよい。

再変換回路４は、安定器、点灯管、インバータなど蛍光灯に固有の電気変換回路Ａ１から出力されてくる電気信号を、ＬＥＤ３の駆動に好ましい波形に変換するものである。具体的には、例えば蛍光灯の起動時に前記電気変換回路Ａ１から印加される高電圧を低減させ、その後の安定電圧はそのままＬＥＤ３に印加するといった、定電圧回路を含んでいる。かかる再変換回路４は、例えばＬＥＤ３の基板の裏面に取り付けられて、蛍光管２の両端部にＬＥＤ３とともに収容されている。

光散乱粒子５は、例えばここでは、浮遊しながらブラウン運動などをしてランダムに動き回る非常に微細な粒子である。この光散乱粒子５は蛍光管２内に封入されている。

そして、このように蛍光管２にＬＥＤ３、再変換回路４、光散乱粒子５が全て収容するようにして、既存の蛍光管と置き換え可能に構成し、新たなアダプタや機器を必要とすることなく、既存の蛍光灯本体Aに取り付けるだけで作動させることができるようにしている。

また、水銀気体とほぼ同じ波長の光を照射する深紫外光照射タイプのＬＥＤ３を用いているので、既存の蛍光管２をそのまま転用でき、新たな開発コストや製造コストを可及的に削減できる。

さらに、半導体素子本体３１を表裏から覆う表面及び裏面電極によって半導体素子本体３１に一様な電界が与えられるので、半導体素子本体３１を理想的に面発光させて大光量を得ることが容易にできる。しかも、表面電極３２は半導体素子本体３１の発光領域を覆っているにもかかわらず、そこには多数の誘電体アンテナ３６を貫通させているので、電磁波である光がこれら誘電体アンテナ３６に集光されて外部に射出されることとなり、電極での遮光影響を大きく低減することができる。つまり、理想的な面発光を行ないつつもそこで発生した大光量を外部へ高効率で取り出すことができる。そしてその効率は従来の２倍以上にもなり、その結果、本実施形態によれば、一般照明に必要とされる光量を担保しながらも、高効率である分、発熱を抑えることができるようになり、放熱部材を必要とすることなく、作動させることができる。つまり、蛍光灯に代わるＬＥＤ照明装置１を提供できるのである。

さらに、蛍光管２内に光散乱粒子を封入し浮遊させているので、ＬＥＤ３からの光が散乱してむらなく蛍光管２に照射され、蛍光管２の全体が光るようにすることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、図５に示すように、前記ＬＥＤ３を、その発光面を蛍光管２の長手方向と平行にした姿勢で、当該蛍光管２内に配置しても構わない。３００ｎｍ以上の近紫外光を用いても構わない。

また、前記光散乱部材５として例えば、図６に示すように外周面に複数の光散乱部６１を有するとともにＬＥＤ３間に架け渡されてその両端面から内部に深紫外光又は紫外光を導入される円柱状のライトガイド６としてもよい。このようなものであれば、その内部に導入された深紫外光又は紫外光が
光散乱部６１で散乱して外方に放射される。

その他、本発明は前記図示例や実施形態に限られず、その主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

以上のように構成した本発明によれば、ＬＥＤ照明装置を既存の蛍光灯本体に取り付けるだけで、放熱部材等を必要とすることなく、作動させることができる。 また、ＬＥＤが深紫外光又は紫外光を照射するので、既存の蛍光管をそのまま転用でき、新たな開発コストや製造コストを可及的に削減できる。 さらに、ＬＥＤには、多数の誘電体アンテナと表面電極を用いているので、高効率で面発光を行わせることができる。 しかも、その光を光散乱部材によって、散乱させるので、蛍光管全体を光らせることができる。

Claims (5)

1. 蛍光灯に用いられるガラス蛍光管（２）と、 簿板状をなしその厚み方向の中間に形成されたＰＮ接合層（３４）から深紫外光又は紫外光を放射する半導体素子本体（３１）、その半導体素子本体（３１）の表面に設けられた表面電極（３２）、及びその表面電極（３２）の全体に亘って間欠的に設けられた厚み方向に貫通するものであって前記半導体素子本体（３１）から放射される深紫外光又は紫外光を集光し透過させる誘電体アンテナ（３６）を具備し、前記蛍光管（２）の内部空間に向かって深紫外光又は紫外光を射出するように当該蛍光管（２）に取り付けられたＬＥＤ（３）と、 前記蛍光管（２）内に収容又は配置され、前記ＬＥＤ（３）からの光を拡散又は散乱させる光散乱部材（５）と、 前記蛍光管（２）に取り付けられて、安定器、点灯管、インバータなど蛍光灯に固有の電気変換回路（Ａ１）からの出力を再変換し、前記ＬＥＤ（３）に供給する再変換回路（４）と、を備えたものである蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置（１）。
2. 前記ＬＥＤ（３）が、その発光面を蛍光管（２）の長手方向と直交させた姿勢で、当該蛍光管（２）の両端部にそれぞれ取り付けられている請求項１記載の蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置（１）。
3. 前記ＬＥＤ（３）が、その発光面を蛍光管（２）の長手方向と平行にした姿勢で、当該蛍光管（２）内に配置されている請求項１記載の蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置（１）。
4. 前記光散乱部材（５）が、蛍光管（２）内に封入した浮遊する光散乱粒子（５）である請求項１記載の蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置（１）。
5. 前記光散乱部材（５）が、外周面に複数の光散乱部を有するとともにＬＥＤ（３）間に架け渡されてその両端面から内部に深紫外光又は紫外光を導入される長尺状のライトガイド（６）であり、その内部に導入された深紫外光又は紫外光が前記光散乱部で散乱して外方に放射されるように構成されている請求項２記載の蛍光灯互換型ＬＥＤ照明装置（１）。

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