WO2012153594A1 - 照明装置 - Google Patents
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Abstract
照明装置は、発光素子(4)と、発光素子に定電流を供給するための定電流回路(2)と、発光素子に流れる電流をスイッチングするためのスイッチング素子(6)と、スイッチング素子によるスイッチングを制御するための駆動信号をスイッチング素子に供給し、発光素子の輝度を変化させるために駆動信号のデューティ比を変化させるとともに、デューティ比が小さい場合にはデューティ比が大きい場合よりも駆動信号の周波数が高くなるように駆動信号の周波数を変化させる制御回路(100)とを備える。
Description
本発明は、発光素子に流す電流を調整して調光する照明装置に関する。
近年、照明装置において、有機エレクトロルミネッセンス素子(以下、有機EL素子)やLED(Light Emitting Diode、発光ダイオード)等の発光素子を用いたものが知られている。
このような照明装置を利用するにあたり、省電力や照明の演出性といった観点から照明装置の輝度を変化させる調光が一般に行われている。
調光方式は大きく分けて、振幅調光方式とPWM調光方式との2つの方式がある。
振幅調光方式の場合、低輝度の場合には、発光素子に流す電流を小さくし、高輝度にするに従い、電流を大きくする。
振幅調光方式の場合、低輝度の場合には、発光素子に流す電流を小さくし、高輝度にするに従い、電流を大きくする。
一方、PWM調光方式の場合は、電流を一定として、発光素子に流す電流を制御するスイッチング素子に印加されるパルスのデューティ比を変化させることで輝度の調整を行う。
特開2007-251036号公報は、輝度が低い場合にはPWM調光方式を実行し、輝度が高い場合には振幅調光方式を実行する照明装置を提案している。
しかしながら、低輝度の場合にPWM調光方式を採用すると、スイッチング素子に与えられるパルスのデューティ比は小さいため、オフ期間が顕著となり、オンオフの繰り返しによるちらつきが目立ってしまうという問題がある。
このちらつきを抑制するためにはスイッチング素子の駆動周波数を高くすることが考えられるが、駆動周波数を高くすることはスイッチング素子での損失の増加に繋がり、消費電力が増大するという問題がある。
本発明は、上記のような問題を解決するためのものであって、低輝度時のちらつきを抑制するとともに、消費電力の増加を抑制することが可能な照明装置を提供することを目的とする。
本発明のある局面に従う照明装置は、発光素子と、発光素子に定電流を供給するための定電流回路と、発光素子に流れる電流をスイッチングするためのスイッチング素子と、スイッチング素子によるスイッチングを制御するための駆動信号をスイッチング素子に供給し、発光素子の輝度を変化させるために駆動信号のデューティ比を変化させるとともに、デューティ比が小さい場合にはデューティ比が大きい場合よりも駆動信号の周波数が高くなるように駆動信号の周波数を変化させる制御回路とを備える。
本発明によれば、低輝度時のちらつきを抑制するとともに、消費電力の増加を抑制することができる。
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施形態1に従う有機EL素子を駆動する照明装置1を説明する図である。
図1は、本発明の実施形態1に従う有機EL素子を駆動する照明装置1を説明する図である。
図1を参照して、本発明の実施の形態1に従う照明装置1は、定電流源(定電流回路)2と、発光素子としての有機EL素子4と、調光用FET6と、制御回路100とを含む。
定電流源2は、有機EL素子4に定電流を供給する。定電流源2と、有機EL素子4と、調光用FET6とは直列に接続される。調光用FET6は、スイッチング素子であり、有機EL素子4に流れる電流をスイッチングする。制御回路100は、調光率(調光レベル)に応じて調光用FET6のゲートに供給されるパルス信号(駆動信号)を出力する。
有機EL素子4は、有機EL材料を電極で挟んだ構造をしており、電極から投入されたキャリアが有機EL材料内で再結合し、この再結合のエネルギーによって励起された有機分子が基底状態に戻るときに放出する光を利用するものである。有機EL材料を挟む電極の少なくとも一方には、光を取り出すために透明な材料が用いられる。有機EL素子4は薄型且つ軽量の発光素子が構成できる点で有利である。
有機EL素子4は、有機EL材料を電極で挟んだ構造をしており、電極から投入されたキャリアが有機EL材料内で再結合し、この再結合のエネルギーによって励起された有機分子が基底状態に戻るときに放出する光を利用するものである。有機EL材料を挟む電極の少なくとも一方には、光を取り出すために透明な材料が用いられる。有機EL素子4は薄型且つ軽量の発光素子が構成できる点で有利である。
制御回路100は、PWM発生回路102と、スイッチ信号を調整するスイッチ信号調整回路104とを含む。
PWM発生回路102は、入力される調光率(調光レベル)を示すデータの入力に従って、調光率に応じたデューティ比のPWM信号を発生させる。例えば、調光率20%の場合には、デューティ比が20%であるPWM信号を発生させる。
スイッチ信号調整回路104は、PWM発生回路102からのPWM信号の入力を受けて、パルス信号(駆動信号)を調光用FET6のゲートに出力する。
図2は、有機EL素子の電圧-電流特性を説明する図である。
図2を参照して、有機EL素子は、当該図に示されるように電圧電流特性が非線形で変化し、閾値以上の電圧で電流が流れ出すものである。
図2を参照して、有機EL素子は、当該図に示されるように電圧電流特性が非線形で変化し、閾値以上の電圧で電流が流れ出すものである。
図3は、有機EL素子の電流-輝度特性を説明する図である。
図3を参照して、輝度は電流に比例するため、有機EL素子を一定の電流で駆動すれば、一定の輝度で発光させることが可能となる。
図3を参照して、輝度は電流に比例するため、有機EL素子を一定の電流で駆動すれば、一定の輝度で発光させることが可能となる。
図4は、本発明の実施の形態1に従うスイッチ信号調整回路104の構成を説明する図である。
図4を参照して、スイッチ信号調整回路104は、ローパスフィルタ10と、比較器30と、比較器20A~20Cで構成される比較部20と、ランプジェネレータ40と、セレクタ50と、発振回路60,62,64,66とを含む。
ローパスフィルタ10は、PWM信号の入力を受けて、PWM信号を平滑したデューティ比に応じた電位レベルの直流電圧信号(アナログ電圧)を生成して信号線NAに出力する。
比較部20を構成する比較器20A~20Cは、信号線NAの電圧とそれぞれの比較器20A~20Cに入力される電圧とを比較し、比較結果に基づく信号を信号線NB1~NB3を介してセレクタ50に出力する。
具体的には、比較器20Aは、信号線NAの電圧と電圧V1とを比較し、比較結果に基づく信号(「H」レベルあるいは「L」レベル)を信号線NB1に出力する。
比較器20Bは、信号線NAの電圧と電圧V2とを比較し、比較結果に基づく信号(「H」レベルあるいは「L」レベル)を信号線NB2に出力する。
比較器20Cは、信号線NAの電圧と電圧V3とを比較し、比較結果に基づく信号(「H」レベルあるいは「L」レベル)を信号線NB3に出力する。
なお、電圧V1<電圧V2<電圧V3の関係がある。セレクタ50は、信号線NB1~NB3からの信号に応答してランプジェネレータ40に出力する発振周波数信号を切り替える。
発振回路(OSC1)60は、信号線NC1を介してセレクタ50に第1の発振周波数信号を出力する。発振回路(OSC2)62は、信号線NC2を介してセレクタ50に第2の発振周波数信号を出力する。発振回路(OSC3)64は、信号線NC3を介してセレクタ50に第3の発振周波数信号を出力する。発振回路(OSC4)66は、信号線NC4を介してセレクタ50に第4の発振周波数信号を出力する。本例においては、発振回路(OSC1,OSC2,OSC3,OSC4)60,62,64,66はそれぞれ1KHz、500Hz、200Hz、100Hzの発振周波数信号を出力する。
セレクタ50は、信号線NB1に伝達される信号が「L」レベルの場合には、信号線NC1から入力された第1の発振周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
セレクタ50は、信号線NB1に伝達される信号が「H」レベルの場合には、信号線NC2から入力された第2の発振周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
セレクタ50は、信号線NB2に伝達される信号が「H」レベルの場合には、信号線NC3から入力された第3の発振周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
セレクタ50は、信号線NB3に伝達される信号が「H」レベルの場合には、信号線NC4から入力された第4の発振周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
ランプジェネレータ40は、セレクタ50からの発振周波数信号に基づいて当該発振周波数信号の周波数に従う三角波信号を生成して信号線NDに出力する。
比較器30は、信号線NAに伝達される信号と、ランプジェネレータ40から出力される三角波信号との比較に基づくパルス信号(駆動信号)を信号線NEを介して調光用FET6に出力する。
図5は、スイッチ信号調整回路104の各信号線の信号の波形を説明する図である。
図5(A)は、PWM発生回路102からのPWM信号のデューティ比が20%である場合の各信号線の波形を説明する図である。
図5(A)は、PWM発生回路102からのPWM信号のデューティ比が20%である場合の各信号線の波形を説明する図である。
図5(B)は、PWM発生回路102からのPWM信号のデューティ比が40%である場合の各信号線の波形を説明する図である。
まず、図5(A)を参照して、PWM発生回路102からのPWM信号のデューティ比が20%の場合、すなわち調光率20%の場合について説明する。
デューティ比20%のPWM信号がPWM発生回路102からローパスフィルタ10に入力された場合、ローパスフィルタ10により直流のアナログ電圧に変換され、信号線NAに出力される。本例においては、信号線NAの電圧が、電圧V1よりも低い電圧になる。
比較部20を構成する比較器20A~20Cは、電圧V1、電圧V2、電圧V3と、信号線NAのアナログ電圧とを比較する。本例の場合は電圧V1、電圧V2、電圧V3のいずれよりも信号線NAのアナログ電圧が低いので、3つの比較器20A~20Cの出力である信号線NB1,NB2,NB3には、「L」レベルの出力信号が伝達される。発振回路60,62,64,66は、上述したようにそれぞれ1KHz、500Hz、200Hz、100Hzの発振周波数信号を出力している。セレクタ50は、信号線NB1に伝達される信号が「L」レベルの信号であるため信号線NC1の発振周波数信号(1KHz)をランプジェネレータ40に出力する。
ランプジェネレータ40は、発振周波数信号(1KHz)の三角波を生成して信号線NDに出力する。
比較器30は、信号線NAと信号線NDとの電圧を比較し、信号線NAの電圧が高い場合は「H」レベルの信号を信号線NEに出力し、信号線NDの電圧が高い場合は「L」レベルの信号を出力する。これより、1KHzでデューティ比20%のパルス信号(駆動信号)を信号線NEに出力する。
図5(B)を参照して、PWM発生回路102からのPWM信号のデューティ比が40%の場合、すなわち調光率40%の場合について説明する。
デューティ比40%のPWM信号がPWM発生回路102からローパスフィルタ10に入力された場合、ローパスフィルタ10により直流のアナログ電圧に変換され、信号線NAに出力される。本例においては、信号線NAの電圧が、電圧V1よりも高く電圧V2よりも低い電圧になる。
比較部20を構成する比較器20A~20Cは、電圧V1、電圧V2、電圧V3と、信号線NAのアナログ電圧とを比較する。本例の場合は電圧V1よりも高く、電圧V2、電圧V3のいずれよりも低いので、3つの比較器20A~20Cの出力である信号線NB1,NB2,NB3には、それぞれ「H」レベル、「L」レベル、「L」レベルの出力信号が伝達される。発振回路60,62,64,66は、上述したようにそれぞれ1KHz、500Hz、200Hz、100Hzの発振周波数信号を出力している。セレクタ50は、信号線NB1に伝達される信号が「H」レベルの信号であって、信号線NB2,NB3に伝達される信号が「L」レベルの信号であるため、信号線NC2の発振周波数信号(500Hz)をランプジェネレータ40に出力する。
ランプジェネレータ40は、発振周波数信号(500Hz)の三角波を生成して信号線NDに出力する。
比較器30は、信号線NAと信号線NDとの電圧を比較し、信号線NAの電圧が高い場合は「H」レベルの信号を信号線NEに出力し、信号線NDの電圧が高い場合は「L」レベルの信号を出力する。これより、500Hzでデューティ比40%のパルス信号(駆動信号)を信号線NEに出力する。
同様にして、デューティ比60%のPWM信号がPWM発生回路102からローパスフィルタ10に入力された場合、信号線NAの電圧は、電圧V2よりも高く電圧V3よりも低い電圧になる。当該場合には、セレクタ50は、信号線NB2に伝達される信号が「H」レベルの信号であって、信号線NB3に伝達される信号が「L」レベルの信号であるため、信号線NC3の発信周波数信号(200Hz)をランプジェネレータ40に出力する。ランプジェネレータ40は、発振周波数信号(200Hz)の三角波を生成して信号線NDに出力する。
比較器30は、信号線NAと信号線NDとの電圧を比較し、信号線NAの電圧が高い場合は「H」レベルの信号を信号線NEに出力し、信号線NDの電圧が高い場合は「L」レベルの信号を出力する。これより、200Hzでデューティ比60%のパルス信号(駆動信号)を信号線NEに出力する。
また、デューティ比80%のPWM信号がローパスフィルタ10に入力された場合、信号線NAの電圧は、電圧V3よりも高い電圧になる。当該場合には、セレクタ50は、信号線NB3に伝達される信号が「H」レベルの信号であるため信号線NC4の発信周波数信号(100Hz)をランプジェネレータ40に出力する。ランプジェネレータ40は、発振周波数信号(100Hz)の三角波を生成して信号線NDに出力する。
比較器30は、信号線NAと信号線NDとの電圧を比較し、信号線NAの電圧が高い場合は「H」レベルの信号を信号線NEに出力し、信号線NDの電圧が高い場合は「L」レベルの信号を出力する。これより、100Hzでデューティ比80%のパルス信号(駆動信号)を信号線NEに出力する。
さらに、デューティ比100%のPWM信号、すなわち直流信号がローパスフィルタ10に入力された場合、比較器30にて比較される信号線NAの電圧は、常に信号線NDの電圧よりも高くなるので、信号線NEの出力は常に「H」レベルの信号となる。これより、デューティ比100%の直流の駆動信号が調光用FET6に与えられる。
図6は、本発明の実施の形態1に従う照明装置1における調光率の変化に従う有機EL素子4の輝度および電流を説明する図である。
図6に示されるように、輝度が低いほど、すなわちデューティ比を小さくするほど、調光用FET6に与えるパルス信号の周波数を高く設定し、輝度が高くなるほど、パルス信号の周波数が低く設定され、調光用FET6のスイッチング制御によって有機EL素子4に流れる電流が変化される。
本実施の形態により、調光率が低い場合、すなわち、スイッチング素子(調光用FET6)に与えるパルス信号のデューティ比が小さい場合には、パルス信号の周波数を高く設定することによりちらつきを防止することが可能である。また、調光率が高い場合、すなわち、輝度が高い場合には、パルス信号の周波数を低く設定することによりスイッチング素子でのスイッチング損失を抑制し、消費電力の増加を抑制することが可能である。また、発光素子として有機EL素子を用いる場合には、一般的に電流値が異なれば発光色が変わり、特に低い電流値で駆動する場合に色変化が大きいという傾向があるが、本実施の形態では、電流値を変化させていないため、発光色の変化も抑制することが可能である。
なお、本実施の形態においては、調光レベルに応じてスイッチング素子に供給するパルス信号を4段階(デューティ比が100%の直流の場合を含めば5段階)に切り替える方式について説明したが、特に当該方式に限られず、調光率が低い場合、すなわち、パルス信号のデューティ比が小さい場合に、より高い周波数で駆動することが可能であれば、この例に特に限定されるものではない。
(実施の形態2)
図7は、本発明の実施の形態2に従う照明装置1#の構成を説明する図である。
図7は、本発明の実施の形態2に従う照明装置1#の構成を説明する図である。
図7を参照して、本発明の実施の形態2に従う照明装置1#は、図1の照明装置1と比較して、定電流源2を可変電流源2#に置換するとともに、制御回路100#に置換した点が異なる。
可変電流源2#は、制御回路100#からの指示に従って有機EL素子4に供給する定電流のの大きさを変更する。
制御回路100#は、制御回路100と比較してスイッチ信号調整回路104をスイッチ信号調整回路104#に置換した点が異なる。
スイッチ信号調整回路104#は、PWM発生回路102からのPWM信号の入力を受けて、パルス信号(駆動信号)を調光用FET6のゲートに出力するとともに、可変電流源2#の電流を調整する指示信号を出力する。
本実施の形態2においては、調光率50%まではPWM調光方式とし、調光率50%以上の場合には振幅調光方式に切り替える。
図8は、本発明の実施の形態2に従うスイッチ信号調整回路104#を説明する図である。
図8を参照して、本発明の実施の形態2に従うスイッチ信号調整回路104#は、図4のスイッチ信号調整回路104と比較して、定電流設定回路70と、比較器80をさらに追加するとともに、比較部20を比較器20Dに置換するとともに、発振回路60,66を削除した点が異なる。すなわち、セレクタ50には、発振回路60、64からそれぞれ500Hz、200Hzの発振周波数信号が入力されて、比較器20Dの出力信号に応じてランプジェネレータ40に出力される発振周波数信号が切り替えられる。
定電流設定回路70は、信号線NAと接続され、信号線NAの電圧に応じて可変電流源2#に対して電流を調整する指示信号を出力する。
比較器80は、信号線NAの電圧と電圧V2#とを比較し、比較結果に基づくランプジェネレータイネーブル信号(「H」レベルあるいは「L」レベル)をランプジェネレータ40に出力する。
ランプジェネレータ40は、ランプジェネレータイネーブル信号に従って動作し、「L」レベルの場合には、信号線NDに三角波信号を出力し、「H」レベルの場合には、動作しないものとする。すなわち、ランプジェネレータイネーブル信号が「H」レベルの場合には、信号線NDは「L」レベルに設定される。この場合、比較器30から出力される信号は常に「H」レベルとなり、調光用FET6は常にオン状態となる。
比較器20Dは、信号線NAの電圧と電圧V1#とを比較し、比較結果に基づく信号(「H」レベルあるいは「L」レベル)を信号線NB4を介してセレクタ50に出力する。
セレクタ50は、信号線NB4に伝達される信号が「L」レベルの場合には、信号線NC2から入力された500Hzの発信周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
また、セレクタ50は、信号線NB4に伝達される信号が「H」レベルの場合には、信号線NC3から入力された200Hzの発信周波数信号をランプジェネレータ40に出力する。
他の構成については、図4で説明したのと同様であるのでその詳細な説明は繰り返さない。
図9は、本発明の実施の形態2に従う信号線NAの電圧とランプジェネレータイネーブル信号及び定電流設定回路の出力との関係を説明する図である。
図9を参照して、本例においては、時間経過に伴って調光率を上げる場合、すなわち、信号線NAの電圧が上昇する場合が示されている。
ここで、ランプジェネレータイネーブル信号は、上述したように、比較器80による電圧V2#と信号線NAとの比較結果に基づく信号である。調光率が低い場合には、信号線NAの電圧が低いため比較器80の出力信号であるランプジェネレータイネーブル信号は「H」レベルに設定されている。したがって、「H」レベルのランプジェネレータイネーブル信号に従って、ランプジェネレータ40は、三角波信号を信号線NDに出力する。この場合、実施の形態1で説明したように、信号線NAと信号線NDとの比較に基づくパルス信号(駆動信号)が信号線NEに伝達される。
定電流設定回路70は、信号線NAの電圧をモニタしており、図9に示されるように、信号線NAの電圧に応じた指示信号を可変電流源2#に出力している。具体的には、信号線NAの電圧が電圧V2#よりも小さい場合、定電流設定回路70からの指示信号は、所定の一定レベルである。一方、信号線NAの電圧が電圧V2#以上の場合、指示信号は、信号線NAの電圧に応じて変化するものとなる。
可変電流源2#は、定電流設定回路70からの指示信号に従って有機EL素子4に定電流を供給する。本例においては、信号線NAの電圧レベルが電圧V2#よりも小さい場合には、定電流設定回路70からの指示信号に従って、調光率100%の際に流す電流の半分の大きさの電流を供給する。
そして、可変電流源2#は、信号線NAの電圧レベルが電圧V2#以上の場合には、定電流設定回路70からの指示信号のレベルに従って、電流の大きさを調整する。具体的には、指示信号のレベルが小さければ、有機EL素子4に流れる電流は小さくされ、指示信号のレベルが大きくなるに従って電流は大きくされる。
本実施の形態において、比較器80に入力される電圧V2#は、調光率が50%の場合の信号線NAの電圧に対応付けられている。したがって、調光率が50%よりも低い場合には、ランプジェネレータイネーブル信号は「H」レベルに設定され、ランプジェネレータ40は活性化される。これにより、所定のデューティ比のパルス信号(駆動パルス)が調光用FET6に出力されてPWM調光方式に従う調光制御を実行する。
一方、調光率が50%以上の場合には、ランプジェネレータイネーブル信号は「L」レベルに設定され、ランプジェネレータ40は非活性化される。これにより、常に「H」レベルの駆動信号が調光用FET6に出力されて、PWM調光方式ではなく、可変電流源2#の電流の調整による振幅調光方式に従う調光制御を実行する。
図10は、本発明の実施の形態2に従う照明装置1#における調光率の変化に従う有機EL素子4の輝度および電流を説明する図である。
図10に示されるように、調光率が50%よりも低い場合、、パルス信号のデューティ比が低い場合にはその周波数を高く設定し、デューティ比が高くなるほど周波数を低く設定して、有機EL素子4に流れる電流が制御される。一方、調光率が50%以上の場合には、PWM調光方式から振幅調光方式に切り替え、有機EL素子4に流れる電流の大きさを調整して調光が実行される。
本実施の形態により、調光率が低い場合、すなわち、スイッチング素子(調光用FET6)に与えるパルス信号のデューティ比が小さい場合には、パルス信号の周波数を高く設定することによりちらつきを防止することが可能である。
また、本実施の形態においては、調光率が高い場合、すなわち、輝度が高い場合には、スイッチング素子でのスイッチングは行わず、可変電流源によって電流の大きさを調整するため、スイッチング素子でのスイッチング損失を抑制し、消費電力の増加を実施の形態1よりもさらに抑制することが可能である。
なお、以上の実施形態においては、発光素子として有機EL素子を用いたが、これに限らず、例えば、発光素子としてLEDを用いることもできる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 照明装置、2 定電流源、2# 可変電流源、4 有機EL素子、10 ローパスフィルタ、20 比較部、40 ランプジェネレータ、50 セレクタ、60~66 発振回路、70 定電流設定回路、100 制御回路、102 PWM発生回路、104 スイッチ信号調整回路。
Claims (4)
- 発光素子(4)と、
前記発光素子に定電流を供給するための定電流回路(2)と、
前記発光素子に流れる電流をスイッチングするためのスイッチング素子(6)と、
前記スイッチング素子によるスイッチングを制御するための駆動信号を前記スイッチング素子に供給し、前記発光素子の輝度を変化させるために前記駆動信号のデューティ比を変化させるとともに、前記デューティ比が小さい場合には前記デューティ比が大きい場合よりも前記駆動信号の周波数が高くなるように前記駆動信号の周波数を変化させる制御回路(100)とを備えた、照明装置。 - 前記制御回路は、
それぞれ発振周波数が異なる複数の発振回路(60~66)と、
前記調光レベルに応じて前記複数の発振回路のうちのいずれかの出力を選択するセレクタ(50)とを有し、
前記セレクタによって選択された発振周波数の信号を用いて前記駆動信号を生成する、請求項1記載の照明装置。 - 前記定電流回路は、前記定電流の大きさ変更可能に設けられ、
前記発光素子の輝度を所定の値よりも低い領域で変化させる場合には、前記定電流を特定の値にするとともに、前記駆動信号のデューティ比を変化させることで前記発光素子の輝度を変化させ、
前記発光素子の輝度を前記所定の値以上の領域で変化させる場合には、前記駆動信号をハイレベルに維持するとともに、前記定電流を前記特定の値から変更することで前記発光素子の輝度を変化させる、請求項1または2記載の照明装置。 - 前記発光素子は、有機EL素子である、請求項1~3のいずれか一項に記載の照明装置。
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