JP2004207654A - 照明装置および照明用駆動回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】照度ムラが生じたり、発光素子が破壊されてしまうといったことを防止できる照明装置を提供すること。
【解決手段】３２個のＬＥＤベアチップＤ11、Ｄ13・・Ｄ45、Ｄ47を直列に接続したＬＥＤ列２５と定電流回路５３とを直列に接続した第１の回路と、３２個のＬＥＤベアチップＤ81、Ｄ83・・Ｄ55、Ｄ57を直列に接続したＬＥＤ列２６と定電流回路５４とを直列に接続した第２の回路とを、共通電源に対して並列に接続する。
【選択図】 図６
【解決手段】３２個のＬＥＤベアチップＤ11、Ｄ13・・Ｄ45、Ｄ47を直列に接続したＬＥＤ列２５と定電流回路５３とを直列に接続した第１の回路と、３２個のＬＥＤベアチップＤ81、Ｄ83・・Ｄ55、Ｄ57を直列に接続したＬＥＤ列２６と定電流回路５４とを直列に接続した第２の回路とを、共通電源に対して並列に接続する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置、その発光素子を点灯させるための照明用駆動回路に関し、特に発光素子を定電流制御するための駆動回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光部として用いた表示装置等が開発されている。このような装置のＬＥＤ駆動回路では、複数のＬＥＤを直列接続する構成をとっているが、電源電圧の関係から全てのＬＥＤを直列接続できない場合があり、そのような場合、複数個のＬＥＤを直列に接続したものを複数個並列に接続する構成をとっている。これは、例えば順方向電圧Ｖｆが４（Ｖ）のＬＥＤを５０個接続する場合、入力電圧が１００（Ｖ）とすると、単純に計算して１列に２５個しか直列に接続できず、２列に並列接続せざるを得ないからである。
【０００３】
並列接続する場合、通常、ＬＥＤの個数は各列で同一にされる（例えば、特許文献１参照）。これは、従来のＬＥＤ駆動回路では、一の電流源から出力される電流を並列に接続された各列のＬＥＤに配分して供給する構成をとっており、同一仕様のＬＥＤを用いる場合、各列のＬＥＤの数を同数にしておけば、各列でＬＥＤの内部抵抗の合計値（合成抵抗値）がほぼ同じになり、各列にほぼ同量の電流を流すことができ、各列での発光量のばらつきを少なくできるからである。
【０００４】
【特許文献１】
登録実用新案第３０１６６３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の表示装置等のＬＥＤ駆動回路を照明装置に適用しようとすると、並列接続された各列の内のある一の列に過剰な電流が流れて照度ムラが発生したり、その列のＬＥＤが破壊に至るという問題が生じる場合がある。これは、次の理由による。すなわち、照明装置では発光量を極力上げるため、表示装置等よりも、多くの電流、例えば表示装置では２０（ｍＡ）程度とするところ、４０（ｍＡ）程度という大電流をＬＥＤに常時流し続ける構成をとっており、そのためＬＥＤが大変発熱し易く、発光部が高温になり易い。また、一般にＬＥＤは、温度が上がると内部抵抗が下がり、各ＬＥＤの抵抗値のばらつきは、高温の方が大きくなるという特性を有している。
【０００６】
したがって、発熱により温度が上がってくると、各ＬＥＤの抵抗値のばらつきが大きくなり、そのばらつきによって各列の合成抵抗値の差も低温時よりも大きくなる。そうなると、合成抵抗値の小さい列にそれまでよりも多くの電流が流れ込むことになり、その列では、電流が増えたことにより各ＬＥＤの光量が上がるが発熱量も多くなり高温になって、さらに合成抵抗値が下がり、より多くの電流が流れることになる。一方で、合成抵抗値が大きい列には、少ない電流しか流れず光量が低下することになる。この繰り返しにより、各列で発光量に大きな差が生じて行き、その結果、配光がアンバランスになって照射対象面上で照度ムラが発生したり、電流が過剰になった列のＬＥＤが破壊に至ってしまうのである。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、照度ムラが生じたり、発光素子が破壊されてしまうといったことを防止できる照明装置、および照明用駆動回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る照明装置は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置であって、各発光素子列の発光素子の個数が同数であると共に、発光素子列それぞれに、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、各発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００１０】
また、前記定電流回路が電流調整手段を含むことを特徴とする。これにより、発光素子列に流れる電流量を任意の値に調整することが可能になる。
さらに、前記発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする。
また、本発明の照明用駆動回路は、同数の発光素子を直列に接続してなる複数の発光素子列を備える照明光源を駆動するための照明用駆動回路であって、共通電源に対し各発光素子列を並列に接続するための回路を備え、当該回路には、接続される発光素子列それぞれに対し、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、各列の発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態に係る照明装置１の構成例を示す斜視図であり、説明の都合上一部を破断して示している。
同図に示すように、照明装置１は、一般の白熱電球に代替するものであって、照明光源としての照明ユニット２、照明ユニット２から発せられる光の内の、拡散した光を反射させて前方（同図上方）へ導く反射笠としての２次光学系３、ケース４、ケース４内に収容され、照明ユニット２の発光素子としてのＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88（図２参照）を発光させるための駆動回路基板５（破線）、および口金６を備えている。口金６は、白熱電球等の一般照明電球に用いられるものと同サイズ（同規格）のものである。
【００１３】
駆動回路基板５は、リード線２１〜２４を介して照明ユニット２と接続されると共に、リード線７１、７２を介して口金６と接続されており、外部商用電源（ここでは、ＡＣ１００Ｖ）から口金６を介して入力される交流電力を直流電力に変換して照明ユニット２に供給する。光源となる照明ユニット２が板状体であるため、白熱電球等に対し装置自体（特に全長）を小型化することができる。
【００１４】
図２は、照明ユニット２の平面図である。
同図に示すように、照明ユニット２は、金属ベースプリント配線板（以下、単に「プリント配線板」という。）２０上に、複数個（ここでは、６４個）のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88（符号については後述）が規則正しく配列されてなる多点光源であり、これらＬＥＤベアチップを一斉に発光させることによって面光源として用いられるものである。
【００１５】
図３は、照明ユニット２を、図２のＡ−Ａ線で切断した場合における矢視断面図である。
同図に示すように、プリント配線板２０は、金属板２８をベースとした多層（ここでは、２層）プリント配線板である。プリント配線板２０は、無機質フィラー入り熱硬化性樹脂からなる絶縁板３０、３２の表面に、金属からなる配線パターン（同図では、ＬＥＤベアチップＤ11接続のためのパターンとして、４４Ａ、４０Ａ、４０Ｈが現れている。）が形成されてなる基板３４、３６が、金属板（ここでは、アルミニウム板）２８の上に積層された構成をしている。
【００１６】
一方、ＬＥＤベアチップＤ11は、立方体形状をしたＩｎＧａＮ系のＬＥＤベアチップであり、一方の面にアノード電極とカソード電極の両方を有する片面電極タイプのＬＥＤベアチップである。この構成は、他の６３個のＬＥＤベアチップも同様である。
本実施の形態において、上記絶縁板３０、３２には、無機質フィラーとしてアルミナを、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を使用したアルミナコンポジット基板が用いられている。また、配線パターンには、銅（Ｃｕ）が用いられている。なお、フィラーに用いるのは、アルミナに限られず、点灯時にＬＥＤベアチップから発生する熱を効率よく金属板２８に伝導する高熱伝導性を有するものであれば構わない。例えば、シリカやボロンナイトライドなどを用いることができる。また、配線パターンも銅に限られず、金（Ａｕ）等を用いることができる。
【００１７】
図４は、基板３６の平面図であり、図５は、基板３４の平面図である。
図４に示すように、基板３６の絶縁板３２に形成された配線パターン４０の形成領域には、６４個のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88が８行８列のマトリックス状に整然と搭載される。各ＬＥＤベアチップの搭載位置を符号Ｃｎｍ（ｎは行数を、ｍは列数を示し、いずれも１〜８の整数である。）で示す。これに合わせて、各搭載位置に搭載されるＬＥＤベアチップをＤｎｍで表す。すなわち、ｎ行ｍ列目の搭載位置に搭載されたＬＥＤベアチップをＤｎｍとする。
【００１８】
上記配線パターン４０は、各行における奇数列目のＬＥＤベアチップと偶数列目におけるＬＥＤベアチップの各々同士を直列に接続するためのものである。
配線パターン４０Ａ、４０Ｂ、４０C、４０Ｄは、給電端子として用いられる。配線パターン４０Ａには、上記リード線２１が、配線パターン４０Ｂには、リード線２２が、配線パターン４０Ｃには、リード線２３が、配線パターン４０Ｄには、リード線２４が接続され、駆動回路基板５からの直流電力を受ける。
【００１９】
図５に示す基板３４に形成された配線パターンは、前記配線パターン４０とビアホール（図４、５における小さい「○」印で示すもの。）を介して層間接続されるパターンである。
当該配線パターン４４は、上記したように各行において直列接続された奇数列目のＬＥＤベアチップと、直列接続された偶数列目のＬＥＤベアチップとをさらに直列に接続する。すなわち、ＬＥＤベアチップは、各行毎に直列接続されている。例えば、１行目であれば、Ｄ11、Ｄ13、Ｄ15、Ｄ17、Ｄ12、Ｄ14、Ｄ16、Ｄ18の順に、ＬＥＤベアチップ同士が直列接続されている。
【００２０】
配線パターン４４は、さらに、各行毎に直列接続されたＬＥＤベアチップの第１行目〜第４行目間を行番号の順に直列に接続し、第５行目〜第８行目を同じく行番号順に直列に接続する。すなわち、１行１列目から４行８列目までの３２個ＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ48（以下、これらのＬＥＤベアチップを「第１グループ」と称する。）がＤ11、Ｄ13・・・Ｄ18、Ｄ22、Ｄ24・・・Ｄ28、Ｄ21・・・Ｄ27、Ｄ31・・・Ｄ43、Ｄ45、Ｄ47の順に直列に接続され（図６の符号２５参照）、５行１列目から８行８列目までの３２個のＬＥＤベアチップＤ51〜Ｄ88（以下、これらのＬＥＤベアチップを「第２グループ」と称する。）がＤ81、Ｄ83、Ｄ85、Ｄ87、Ｄ82、Ｄ84・・・Ｄ88、Ｄ72、Ｄ74・・・Ｄ58、Ｄ51、Ｄ53、Ｄ55、Ｄ57の順に直列に接続されている（図６の符号２６参照）。
【００２１】
この場合において、第１グループの中では、１行１列目のＬＥＤベアチップＤ11のアノード電極（不図示）と、配線パターン４０Ａとが接続され、４行７列目のＬＥＤベアチップＤ47のカソード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｅとが接続され、配線パターン４０Ｅは、配線パターン４４Ｂを介して配線パターン４０Ｂと接続されるようになっており、ＬＥＤベアチップＤ11が高電位側末端、ＬＥＤベアチップＤ47が低電位側末端となる。
【００２２】
また、第２グループの中では、８行１列目のＬＥＤベアチップＤ81のアノード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｄとが接続され、５行７列目のＬＥＤベアチップＤ57のカソード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｆとが接続され、配線パターン４０Ｆは、配線パターン４４Ｃを介して配線パターン４０Ｃと接続されるようになっており、ＬＥＤベアチップＤ81が高電位側末端、ＬＥＤベアチップＤ57が低電位側末端となる。
【００２３】
図６は、照明装置１の回路構成を示す図である。
同図に示すように、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）を全波整流するダイオードブリッジからなる整流回路５１と、整流された直流電流を平滑化する電解コンデンサからなる平滑回路５２と、平滑された直流電流を共通電源として、当該共通電源に対し並列に接続される発光素子列としてのＬＥＤ列２５、２６と、ＬＥＤ列２５と直列に接続される定電流回路５３と、ＬＥＤ列２６と直列に接続される定電流回路５４と、を含んで構成されている。
【００２４】
ＬＥＤ列２５は、上記第１のグループに含まれる３２個のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ48が直列に接続された回路であり、ＬＥＤ列２６は、上記第２のグループに含まれる３２個のＬＥＤベアチップＤ51〜Ｄ88が直列に接続された回路である。
整流回路５１と、平滑回路５２と、定電流回路５３、５４は、駆動回路基板５に配置されている。すなわち、駆動回路基板５は、照明ユニット２のＬＥＤ列２５、２６を除いた部分の回路であり、ＬＥＤ列２５、２６を共通電源に対し、並列接続するための、照明用駆動回路としての回路構成を備えたものである。
【００２５】
なお、同図Ｔ点、Ｕ点は、駆動回路基板５のリード線７１、７２との接続端子に相当する部分である。Ｐ点は、配線パターン４０Ａに相当する部分であり、Ｑ点は、配線パターン４０Ｂに相当する部分である。また、Ｒ点は、配線パターン４０Ｄに相当する部分であり、Ｓ点は、配線パターン４０Ｃに相当する部分である。一方、Ｐ′Ｑ′Ｒ′Ｓ′点は、駆動回路基板５の照明ユニット２とのリード線２１、２２、２４、２３の接続端子に相当する部分を示しており、Ｐ−Ｐ′間がリード線２１、Ｑ−Ｑ′間がリード線２２、Ｒ−Ｒ′間がリード線２４、Ｓ−Ｓ′間がリード線２３で接続される。
【００２６】
定電流回路５３は、三端子レギュレータ６１の出力端子Ｖｏｕｔに電流調整手段としての固定抵抗器６２および可変抵抗器６３を接続した公知の回路で構成されており、ＬＥＤ列２５に流れる電流Ｉが常に一定となるように制御する。一方、定電流回路５４は、定電流回路５３と同一のものであり、三端子レギュレータ６５、固定抵抗器６６および可変抵抗器６７を備えており、ＬＥＤ列２６に流れる電流Ｉが常に一定となるように制御する。電流Ｉの値は、ここでは約４０（ｍＡ）であり、表示装置等に通常用いる場合に、２０（ｍＡ）程度とされる場合に比べると大幅に大きい。電流Ｉの大きさは、各列の可変抵抗器６３、６７により微調整される。これにより、ＬＥＤ列２５、２６には、ほぼ同一の電流Ｉが流れることになる。
【００２７】
１列のＬＥＤベアチップの接続個数は、電源電圧、定電流回路の動作電圧等の大きさから決められる。すなわち、整流後の最大電圧を「Ｖｍａｘ」、整流、平滑後の出力にリプルが含まれる場合のリプル電圧を「Ｖｒｐ」、ＬＥＤベアチップ１個の順方向電圧を「Ｖｆ」、定電流回路の動作電圧を「Ｖｒｅｇ」とすると、ＬＥＤベアチップの個数「ｎ」は、式：ｎ＝｛Ｖｍａｘ−（Ｖｒｐ＋Ｖｒｅｇ）｝／Ｖｆを用いて求めることができる。
【００２８】
本実施の形態の構成例の場合、商用電源がＡＣ１００（Ｖ）であるため、電圧変動（１０％）を考慮して入力最大電圧をＡＣ１１０（Ｖ）とすると、整流後の最大電圧Ｖｍａｘは、約ＤＣ１５５（Ｖ）となる。ＬＥＤベアチップは、順方向電圧Ｖｆが約４．０（Ｖ）のものであり、定電流回路は、最適動作電圧が約２４（Ｖ）のものが使用されている。リプル電圧Ｖｒｐを余裕を見て約３（Ｖ）とすると、上記式から個数ｎは、３２（個）となる。つまり、上記仕様のＬＥＤベアチップ、定電流回路等を用いて回路を構成する場合、一列に直列接続できるＬＥＤベアチップの最大数は、３２個ということになる。照明装置の場合、より高い発光光度が求められるため、できるだけ多くのＬＥＤベアチップを接続することが望ましく、その意味では当該最大数を最適数ととらえることができる。このことは、並列接続される別の列でも同じことがいえるので、各列それぞれについて、３２個のＬＥＤベアチップを直列接続する構成が最適ということになる。
【００２９】
なお、各列を独立して定電流制御する構成の場合、ＬＥＤベアチップの個数を列毎に変えることもできる。しかしながら、各列に共通電源として同電圧が印加され、同一の電流Ｉが流れる構成なので、ＬＥＤベアチップが少ない列では、その少ない分のＬＥＤベアチップに本来電流が流れると得られるであろう光エネルギをその列の定電流回路で無駄に熱に変換しているだけになり、照明装置として用いるには効率が大変悪くなる。したがって、各列で同数（接続可能な最大数）とすることが効率が最も良いことになる。
【００３０】
これより、本実施の形態の回路構成では、ＬＥＤベアチップの最適数は、６４個（２列）、９６個（３列）・・となるが、その数は、実際にはＬＥＤベアチップ、プリント配線板の大きさ、照明装置として必要な光度等が考慮されて決められることになる。ここでは、白熱電球等の一般電球代替えの照明装置に用いる場合であり、６４個のＬＥＤベアチップを用いて必要な光度を確保している。
【００３１】
このように本実施の形態の照明装置１は、ＬＥＤ列２５に定電流回路５３を直列に接続した回路と、ＬＥＤ列２６に定電流回路５４を直列に接続した回路を、共通電源に対し並列に接続する構成なので、各列で独立した定電流制御を行うことができる。したがって、ある程度の内部抵抗のばらつきを有している多数のＬＥＤベアチップから構成される発光部が点灯時に高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００３２】
そして、各列で、ＬＥＤベアチップの個数を同数（１列に接続可能な最大数）としているので、回路効率、照明装置としてみたときの発光効率を向上できるという効果がある。
なお、本実施の形態では、上記式からＬＥＤベアチップの１列の個数を３２個としたが、Ｖｆ、Ｖｒｐ等の値が異なれば、その数も当然に異なり、実際には場合毎に、最適な個数、列数が求められることになる。
【００３３】
（変形例）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施の形態では、商用電源がＡＣ１００（Ｖ）の場合の回路構成の例を説明したが、それ以外の電圧、例えばＡＣ１２０（Ｖ）、ＡＣ２３０（Ｖ）等であっても、上記「Ｖｍａｘ」の値を、その電圧に応じて求め、上記式に適用することによりＬＥＤベアチップの最適な数を求めることができる。
【００３４】
（２）また、入力電源が、ＤＣ４８（Ｖ）、ＤＣ２４（Ｖ）、ＤＣ１２（Ｖ）等の直流（ＤＣ）電源の場合には、基本的に整流回路、平滑回路等を設ける必要が無く、回路構成をより小型化、簡素化できる。その場合、リプル電圧Ｖｒｐを考慮する必要がなければ、上記式を、ｎ＝（直流入力電圧Ｖ−Ｖｒｅｇ）／Ｖｆとして表すことができる。
【００３５】
（３）上記実施の形態では、定電流回路５３、５４をＬＥＤ列２５、２６の低電位側に配置する構成としたが、例えば高電位側に配置する回路構成としても良い。また、定電流回路を、隣接する２つのＬＥＤベアチップの間に介在させる構成、第１グループであれば、例えば・・Ｄ13、定電流回路５３、Ｄ15・・を直列接続する回路構成等とすることもできる。要は、各列について、その列のＬＥＤベアチップと定電流回路が直列に接続される回路構成であれば良いのである。
【００３６】
（４）上記実施の形態では、ＬＥＤベアチップとして同一仕様のものを用いる場合の例を説明したが、各列について、ＬＥＤベアチップの個数ｎを同一にすると共にＶｆの合計値がほぼ同一になる構成とすれば、別仕様の、例えば発光色が異なるＬＥＤベアチップを同じ列内に接続することもできる。具体的には、各列について、例えば発光色が赤色、緑色、青色の各ＬＥＤベアチップを同数ずつ直列に接続する構成等が考えられる。この場合、例えばＬＥＤベアチップを隣接するもの同士で発光色が異なるように直列に接続する構成にすれば、各色が混合し易くなって白色により近い光を発光する照明装置として用いることが可能になる。
【００３７】
（５）上記実施の形態では、一方の面にアノード電極とカソード電極の両方を有する片面電極タイプのＬＥＤベアチップを用いた場合の例を説明したが、ＬＥＤとしては樹脂モールドされたもの等であっても良く、ベアチップに限定されないのは言うまでもない。また、一方の面にアノード電極を、他方の面にカソード電極を有する両面電極タイプのＬＥＤが用いられる照明装置にも本発明を適用できる。さらに、上記では発光素子としてＬＥＤを用いた場合の例を説明したが、ＬＥＤと同様の抵抗特性等を有する発光素子一般に適用可能である。
【００３８】
（６）上記実施の形態では、照明装置の一例として、一般の白熱電球に代替する照明装置を開示したが、上記駆動回路が適用される照明装置は、これに限定されず、例えば電気スタンド、懐中電灯等の駆動回路に適用することもできる。
（７）上記実施の形態では、本発明を照明装置に適用した場合の例を説明したが、照明用駆動回路、すなわち、照明ユニット２の各ＬＥＤベアチップを駆動するための回路（駆動回路基板５）としてとらえることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る照明装置は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置であって、各発光素子列の発光素子の個数が同数であると共に、発光素子列それぞれに、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられている。これにより、各発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】照明装置１の構成例を示す斜視図である。
【図２】照明ユニット２の平面図である。
【図３】図３は、照明ユニット２を、図２のＡ−Ａ線で切断した場合における矢視断面図である。
【図４】プリント配線板２０の基板３６の平面図である。
【図５】プリント配線板２０の基板３４の平面図である。
【図６】照明装置１の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ 照明ユニット
５ 駆動回路基板
２５、２６ ＬＥＤ列
５３、５４ 定電流回路
６１、６５ 三端子レギュレータ
６２、６６ 固定抵抗器
６３、６７ 可変抵抗器
【発明の属する技術分野】
本発明は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置、その発光素子を点灯させるための照明用駆動回路に関し、特に発光素子を定電流制御するための駆動回路の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を発光部として用いた表示装置等が開発されている。このような装置のＬＥＤ駆動回路では、複数のＬＥＤを直列接続する構成をとっているが、電源電圧の関係から全てのＬＥＤを直列接続できない場合があり、そのような場合、複数個のＬＥＤを直列に接続したものを複数個並列に接続する構成をとっている。これは、例えば順方向電圧Ｖｆが４（Ｖ）のＬＥＤを５０個接続する場合、入力電圧が１００（Ｖ）とすると、単純に計算して１列に２５個しか直列に接続できず、２列に並列接続せざるを得ないからである。
【０００３】
並列接続する場合、通常、ＬＥＤの個数は各列で同一にされる（例えば、特許文献１参照）。これは、従来のＬＥＤ駆動回路では、一の電流源から出力される電流を並列に接続された各列のＬＥＤに配分して供給する構成をとっており、同一仕様のＬＥＤを用いる場合、各列のＬＥＤの数を同数にしておけば、各列でＬＥＤの内部抵抗の合計値（合成抵抗値）がほぼ同じになり、各列にほぼ同量の電流を流すことができ、各列での発光量のばらつきを少なくできるからである。
【０００４】
【特許文献１】
登録実用新案第３０１６６３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の表示装置等のＬＥＤ駆動回路を照明装置に適用しようとすると、並列接続された各列の内のある一の列に過剰な電流が流れて照度ムラが発生したり、その列のＬＥＤが破壊に至るという問題が生じる場合がある。これは、次の理由による。すなわち、照明装置では発光量を極力上げるため、表示装置等よりも、多くの電流、例えば表示装置では２０（ｍＡ）程度とするところ、４０（ｍＡ）程度という大電流をＬＥＤに常時流し続ける構成をとっており、そのためＬＥＤが大変発熱し易く、発光部が高温になり易い。また、一般にＬＥＤは、温度が上がると内部抵抗が下がり、各ＬＥＤの抵抗値のばらつきは、高温の方が大きくなるという特性を有している。
【０００６】
したがって、発熱により温度が上がってくると、各ＬＥＤの抵抗値のばらつきが大きくなり、そのばらつきによって各列の合成抵抗値の差も低温時よりも大きくなる。そうなると、合成抵抗値の小さい列にそれまでよりも多くの電流が流れ込むことになり、その列では、電流が増えたことにより各ＬＥＤの光量が上がるが発熱量も多くなり高温になって、さらに合成抵抗値が下がり、より多くの電流が流れることになる。一方で、合成抵抗値が大きい列には、少ない電流しか流れず光量が低下することになる。この繰り返しにより、各列で発光量に大きな差が生じて行き、その結果、配光がアンバランスになって照射対象面上で照度ムラが発生したり、電流が過剰になった列のＬＥＤが破壊に至ってしまうのである。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、照度ムラが生じたり、発光素子が破壊されてしまうといったことを防止できる照明装置、および照明用駆動回路を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る照明装置は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置であって、各発光素子列の発光素子の個数が同数であると共に、発光素子列それぞれに、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
これにより、各発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００１０】
また、前記定電流回路が電流調整手段を含むことを特徴とする。これにより、発光素子列に流れる電流量を任意の値に調整することが可能になる。
さらに、前記発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする。
また、本発明の照明用駆動回路は、同数の発光素子を直列に接続してなる複数の発光素子列を備える照明光源を駆動するための照明用駆動回路であって、共通電源に対し各発光素子列を並列に接続するための回路を備え、当該回路には、接続される発光素子列それぞれに対し、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、各列の発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態に係る照明装置１の構成例を示す斜視図であり、説明の都合上一部を破断して示している。
同図に示すように、照明装置１は、一般の白熱電球に代替するものであって、照明光源としての照明ユニット２、照明ユニット２から発せられる光の内の、拡散した光を反射させて前方（同図上方）へ導く反射笠としての２次光学系３、ケース４、ケース４内に収容され、照明ユニット２の発光素子としてのＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88（図２参照）を発光させるための駆動回路基板５（破線）、および口金６を備えている。口金６は、白熱電球等の一般照明電球に用いられるものと同サイズ（同規格）のものである。
【００１３】
駆動回路基板５は、リード線２１〜２４を介して照明ユニット２と接続されると共に、リード線７１、７２を介して口金６と接続されており、外部商用電源（ここでは、ＡＣ１００Ｖ）から口金６を介して入力される交流電力を直流電力に変換して照明ユニット２に供給する。光源となる照明ユニット２が板状体であるため、白熱電球等に対し装置自体（特に全長）を小型化することができる。
【００１４】
図２は、照明ユニット２の平面図である。
同図に示すように、照明ユニット２は、金属ベースプリント配線板（以下、単に「プリント配線板」という。）２０上に、複数個（ここでは、６４個）のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88（符号については後述）が規則正しく配列されてなる多点光源であり、これらＬＥＤベアチップを一斉に発光させることによって面光源として用いられるものである。
【００１５】
図３は、照明ユニット２を、図２のＡ−Ａ線で切断した場合における矢視断面図である。
同図に示すように、プリント配線板２０は、金属板２８をベースとした多層（ここでは、２層）プリント配線板である。プリント配線板２０は、無機質フィラー入り熱硬化性樹脂からなる絶縁板３０、３２の表面に、金属からなる配線パターン（同図では、ＬＥＤベアチップＤ11接続のためのパターンとして、４４Ａ、４０Ａ、４０Ｈが現れている。）が形成されてなる基板３４、３６が、金属板（ここでは、アルミニウム板）２８の上に積層された構成をしている。
【００１６】
一方、ＬＥＤベアチップＤ11は、立方体形状をしたＩｎＧａＮ系のＬＥＤベアチップであり、一方の面にアノード電極とカソード電極の両方を有する片面電極タイプのＬＥＤベアチップである。この構成は、他の６３個のＬＥＤベアチップも同様である。
本実施の形態において、上記絶縁板３０、３２には、無機質フィラーとしてアルミナを、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を使用したアルミナコンポジット基板が用いられている。また、配線パターンには、銅（Ｃｕ）が用いられている。なお、フィラーに用いるのは、アルミナに限られず、点灯時にＬＥＤベアチップから発生する熱を効率よく金属板２８に伝導する高熱伝導性を有するものであれば構わない。例えば、シリカやボロンナイトライドなどを用いることができる。また、配線パターンも銅に限られず、金（Ａｕ）等を用いることができる。
【００１７】
図４は、基板３６の平面図であり、図５は、基板３４の平面図である。
図４に示すように、基板３６の絶縁板３２に形成された配線パターン４０の形成領域には、６４個のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ88が８行８列のマトリックス状に整然と搭載される。各ＬＥＤベアチップの搭載位置を符号Ｃｎｍ（ｎは行数を、ｍは列数を示し、いずれも１〜８の整数である。）で示す。これに合わせて、各搭載位置に搭載されるＬＥＤベアチップをＤｎｍで表す。すなわち、ｎ行ｍ列目の搭載位置に搭載されたＬＥＤベアチップをＤｎｍとする。
【００１８】
上記配線パターン４０は、各行における奇数列目のＬＥＤベアチップと偶数列目におけるＬＥＤベアチップの各々同士を直列に接続するためのものである。
配線パターン４０Ａ、４０Ｂ、４０C、４０Ｄは、給電端子として用いられる。配線パターン４０Ａには、上記リード線２１が、配線パターン４０Ｂには、リード線２２が、配線パターン４０Ｃには、リード線２３が、配線パターン４０Ｄには、リード線２４が接続され、駆動回路基板５からの直流電力を受ける。
【００１９】
図５に示す基板３４に形成された配線パターンは、前記配線パターン４０とビアホール（図４、５における小さい「○」印で示すもの。）を介して層間接続されるパターンである。
当該配線パターン４４は、上記したように各行において直列接続された奇数列目のＬＥＤベアチップと、直列接続された偶数列目のＬＥＤベアチップとをさらに直列に接続する。すなわち、ＬＥＤベアチップは、各行毎に直列接続されている。例えば、１行目であれば、Ｄ11、Ｄ13、Ｄ15、Ｄ17、Ｄ12、Ｄ14、Ｄ16、Ｄ18の順に、ＬＥＤベアチップ同士が直列接続されている。
【００２０】
配線パターン４４は、さらに、各行毎に直列接続されたＬＥＤベアチップの第１行目〜第４行目間を行番号の順に直列に接続し、第５行目〜第８行目を同じく行番号順に直列に接続する。すなわち、１行１列目から４行８列目までの３２個ＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ48（以下、これらのＬＥＤベアチップを「第１グループ」と称する。）がＤ11、Ｄ13・・・Ｄ18、Ｄ22、Ｄ24・・・Ｄ28、Ｄ21・・・Ｄ27、Ｄ31・・・Ｄ43、Ｄ45、Ｄ47の順に直列に接続され（図６の符号２５参照）、５行１列目から８行８列目までの３２個のＬＥＤベアチップＤ51〜Ｄ88（以下、これらのＬＥＤベアチップを「第２グループ」と称する。）がＤ81、Ｄ83、Ｄ85、Ｄ87、Ｄ82、Ｄ84・・・Ｄ88、Ｄ72、Ｄ74・・・Ｄ58、Ｄ51、Ｄ53、Ｄ55、Ｄ57の順に直列に接続されている（図６の符号２６参照）。
【００２１】
この場合において、第１グループの中では、１行１列目のＬＥＤベアチップＤ11のアノード電極（不図示）と、配線パターン４０Ａとが接続され、４行７列目のＬＥＤベアチップＤ47のカソード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｅとが接続され、配線パターン４０Ｅは、配線パターン４４Ｂを介して配線パターン４０Ｂと接続されるようになっており、ＬＥＤベアチップＤ11が高電位側末端、ＬＥＤベアチップＤ47が低電位側末端となる。
【００２２】
また、第２グループの中では、８行１列目のＬＥＤベアチップＤ81のアノード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｄとが接続され、５行７列目のＬＥＤベアチップＤ57のカソード電極（不図示）と、配線パターン４０Ｆとが接続され、配線パターン４０Ｆは、配線パターン４４Ｃを介して配線パターン４０Ｃと接続されるようになっており、ＬＥＤベアチップＤ81が高電位側末端、ＬＥＤベアチップＤ57が低電位側末端となる。
【００２３】
図６は、照明装置１の回路構成を示す図である。
同図に示すように、商用交流電源（ＡＣ１００Ｖ）を全波整流するダイオードブリッジからなる整流回路５１と、整流された直流電流を平滑化する電解コンデンサからなる平滑回路５２と、平滑された直流電流を共通電源として、当該共通電源に対し並列に接続される発光素子列としてのＬＥＤ列２５、２６と、ＬＥＤ列２５と直列に接続される定電流回路５３と、ＬＥＤ列２６と直列に接続される定電流回路５４と、を含んで構成されている。
【００２４】
ＬＥＤ列２５は、上記第１のグループに含まれる３２個のＬＥＤベアチップＤ11〜Ｄ48が直列に接続された回路であり、ＬＥＤ列２６は、上記第２のグループに含まれる３２個のＬＥＤベアチップＤ51〜Ｄ88が直列に接続された回路である。
整流回路５１と、平滑回路５２と、定電流回路５３、５４は、駆動回路基板５に配置されている。すなわち、駆動回路基板５は、照明ユニット２のＬＥＤ列２５、２６を除いた部分の回路であり、ＬＥＤ列２５、２６を共通電源に対し、並列接続するための、照明用駆動回路としての回路構成を備えたものである。
【００２５】
なお、同図Ｔ点、Ｕ点は、駆動回路基板５のリード線７１、７２との接続端子に相当する部分である。Ｐ点は、配線パターン４０Ａに相当する部分であり、Ｑ点は、配線パターン４０Ｂに相当する部分である。また、Ｒ点は、配線パターン４０Ｄに相当する部分であり、Ｓ点は、配線パターン４０Ｃに相当する部分である。一方、Ｐ′Ｑ′Ｒ′Ｓ′点は、駆動回路基板５の照明ユニット２とのリード線２１、２２、２４、２３の接続端子に相当する部分を示しており、Ｐ−Ｐ′間がリード線２１、Ｑ−Ｑ′間がリード線２２、Ｒ−Ｒ′間がリード線２４、Ｓ−Ｓ′間がリード線２３で接続される。
【００２６】
定電流回路５３は、三端子レギュレータ６１の出力端子Ｖｏｕｔに電流調整手段としての固定抵抗器６２および可変抵抗器６３を接続した公知の回路で構成されており、ＬＥＤ列２５に流れる電流Ｉが常に一定となるように制御する。一方、定電流回路５４は、定電流回路５３と同一のものであり、三端子レギュレータ６５、固定抵抗器６６および可変抵抗器６７を備えており、ＬＥＤ列２６に流れる電流Ｉが常に一定となるように制御する。電流Ｉの値は、ここでは約４０（ｍＡ）であり、表示装置等に通常用いる場合に、２０（ｍＡ）程度とされる場合に比べると大幅に大きい。電流Ｉの大きさは、各列の可変抵抗器６３、６７により微調整される。これにより、ＬＥＤ列２５、２６には、ほぼ同一の電流Ｉが流れることになる。
【００２７】
１列のＬＥＤベアチップの接続個数は、電源電圧、定電流回路の動作電圧等の大きさから決められる。すなわち、整流後の最大電圧を「Ｖｍａｘ」、整流、平滑後の出力にリプルが含まれる場合のリプル電圧を「Ｖｒｐ」、ＬＥＤベアチップ１個の順方向電圧を「Ｖｆ」、定電流回路の動作電圧を「Ｖｒｅｇ」とすると、ＬＥＤベアチップの個数「ｎ」は、式：ｎ＝｛Ｖｍａｘ−（Ｖｒｐ＋Ｖｒｅｇ）｝／Ｖｆを用いて求めることができる。
【００２８】
本実施の形態の構成例の場合、商用電源がＡＣ１００（Ｖ）であるため、電圧変動（１０％）を考慮して入力最大電圧をＡＣ１１０（Ｖ）とすると、整流後の最大電圧Ｖｍａｘは、約ＤＣ１５５（Ｖ）となる。ＬＥＤベアチップは、順方向電圧Ｖｆが約４．０（Ｖ）のものであり、定電流回路は、最適動作電圧が約２４（Ｖ）のものが使用されている。リプル電圧Ｖｒｐを余裕を見て約３（Ｖ）とすると、上記式から個数ｎは、３２（個）となる。つまり、上記仕様のＬＥＤベアチップ、定電流回路等を用いて回路を構成する場合、一列に直列接続できるＬＥＤベアチップの最大数は、３２個ということになる。照明装置の場合、より高い発光光度が求められるため、できるだけ多くのＬＥＤベアチップを接続することが望ましく、その意味では当該最大数を最適数ととらえることができる。このことは、並列接続される別の列でも同じことがいえるので、各列それぞれについて、３２個のＬＥＤベアチップを直列接続する構成が最適ということになる。
【００２９】
なお、各列を独立して定電流制御する構成の場合、ＬＥＤベアチップの個数を列毎に変えることもできる。しかしながら、各列に共通電源として同電圧が印加され、同一の電流Ｉが流れる構成なので、ＬＥＤベアチップが少ない列では、その少ない分のＬＥＤベアチップに本来電流が流れると得られるであろう光エネルギをその列の定電流回路で無駄に熱に変換しているだけになり、照明装置として用いるには効率が大変悪くなる。したがって、各列で同数（接続可能な最大数）とすることが効率が最も良いことになる。
【００３０】
これより、本実施の形態の回路構成では、ＬＥＤベアチップの最適数は、６４個（２列）、９６個（３列）・・となるが、その数は、実際にはＬＥＤベアチップ、プリント配線板の大きさ、照明装置として必要な光度等が考慮されて決められることになる。ここでは、白熱電球等の一般電球代替えの照明装置に用いる場合であり、６４個のＬＥＤベアチップを用いて必要な光度を確保している。
【００３１】
このように本実施の形態の照明装置１は、ＬＥＤ列２５に定電流回路５３を直列に接続した回路と、ＬＥＤ列２６に定電流回路５４を直列に接続した回路を、共通電源に対し並列に接続する構成なので、各列で独立した定電流制御を行うことができる。したがって、ある程度の内部抵抗のばらつきを有している多数のＬＥＤベアチップから構成される発光部が点灯時に高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【００３２】
そして、各列で、ＬＥＤベアチップの個数を同数（１列に接続可能な最大数）としているので、回路効率、照明装置としてみたときの発光効率を向上できるという効果がある。
なお、本実施の形態では、上記式からＬＥＤベアチップの１列の個数を３２個としたが、Ｖｆ、Ｖｒｐ等の値が異なれば、その数も当然に異なり、実際には場合毎に、最適な個数、列数が求められることになる。
【００３３】
（変形例）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は、上述の実施の形態に限定されないのは勿論であり、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施の形態では、商用電源がＡＣ１００（Ｖ）の場合の回路構成の例を説明したが、それ以外の電圧、例えばＡＣ１２０（Ｖ）、ＡＣ２３０（Ｖ）等であっても、上記「Ｖｍａｘ」の値を、その電圧に応じて求め、上記式に適用することによりＬＥＤベアチップの最適な数を求めることができる。
【００３４】
（２）また、入力電源が、ＤＣ４８（Ｖ）、ＤＣ２４（Ｖ）、ＤＣ１２（Ｖ）等の直流（ＤＣ）電源の場合には、基本的に整流回路、平滑回路等を設ける必要が無く、回路構成をより小型化、簡素化できる。その場合、リプル電圧Ｖｒｐを考慮する必要がなければ、上記式を、ｎ＝（直流入力電圧Ｖ−Ｖｒｅｇ）／Ｖｆとして表すことができる。
【００３５】
（３）上記実施の形態では、定電流回路５３、５４をＬＥＤ列２５、２６の低電位側に配置する構成としたが、例えば高電位側に配置する回路構成としても良い。また、定電流回路を、隣接する２つのＬＥＤベアチップの間に介在させる構成、第１グループであれば、例えば・・Ｄ13、定電流回路５３、Ｄ15・・を直列接続する回路構成等とすることもできる。要は、各列について、その列のＬＥＤベアチップと定電流回路が直列に接続される回路構成であれば良いのである。
【００３６】
（４）上記実施の形態では、ＬＥＤベアチップとして同一仕様のものを用いる場合の例を説明したが、各列について、ＬＥＤベアチップの個数ｎを同一にすると共にＶｆの合計値がほぼ同一になる構成とすれば、別仕様の、例えば発光色が異なるＬＥＤベアチップを同じ列内に接続することもできる。具体的には、各列について、例えば発光色が赤色、緑色、青色の各ＬＥＤベアチップを同数ずつ直列に接続する構成等が考えられる。この場合、例えばＬＥＤベアチップを隣接するもの同士で発光色が異なるように直列に接続する構成にすれば、各色が混合し易くなって白色により近い光を発光する照明装置として用いることが可能になる。
【００３７】
（５）上記実施の形態では、一方の面にアノード電極とカソード電極の両方を有する片面電極タイプのＬＥＤベアチップを用いた場合の例を説明したが、ＬＥＤとしては樹脂モールドされたもの等であっても良く、ベアチップに限定されないのは言うまでもない。また、一方の面にアノード電極を、他方の面にカソード電極を有する両面電極タイプのＬＥＤが用いられる照明装置にも本発明を適用できる。さらに、上記では発光素子としてＬＥＤを用いた場合の例を説明したが、ＬＥＤと同様の抵抗特性等を有する発光素子一般に適用可能である。
【００３８】
（６）上記実施の形態では、照明装置の一例として、一般の白熱電球に代替する照明装置を開示したが、上記駆動回路が適用される照明装置は、これに限定されず、例えば電気スタンド、懐中電灯等の駆動回路に適用することもできる。
（７）上記実施の形態では、本発明を照明装置に適用した場合の例を説明したが、照明用駆動回路、すなわち、照明ユニット２の各ＬＥＤベアチップを駆動するための回路（駆動回路基板５）としてとらえることもできる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る照明装置は、共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置であって、各発光素子列の発光素子の個数が同数であると共に、発光素子列それぞれに、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられている。これにより、各発光素子列を独立して定電流制御することができるので、点灯時に発光部が高温になったとしても、従来のように定電流回路を１個しか設けていないため、一方の列に大電流が流れ、他方の列に電流が少ししか流れなくなって配光がアンバランスになったり、大電流によりＬＥＤベアチップが破損に至るといった不具合が生じることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】照明装置１の構成例を示す斜視図である。
【図２】照明ユニット２の平面図である。
【図３】図３は、照明ユニット２を、図２のＡ−Ａ線で切断した場合における矢視断面図である。
【図４】プリント配線板２０の基板３６の平面図である。
【図５】プリント配線板２０の基板３４の平面図である。
【図６】照明装置１の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明装置
２ 照明ユニット
５ 駆動回路基板
２５、２６ ＬＥＤ列
５３、５４ 定電流回路
６１、６５ 三端子レギュレータ
６２、６６ 固定抵抗器
６３、６７ 可変抵抗器
Claims (4)
- 共通電源に対し、複数の発光素子を直列に接続してなる発光素子列を２以上並列に接続して構成される照明装置であって、
各発光素子列の発光素子の個数が同数であると共に、発光素子列それぞれに、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする照明装置。 - 前記定電流回路が電流調整手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
- 前記発光素子が発光ダイオードであることを特徴とする請求項1もしくは2に記載の照明装置。
- 同数の発光素子を直列に接続してなる複数の発光素子列を備える照明光源を駆動するための照明用駆動回路であって、
共通電源に対し各発光素子列を並列に接続するための回路を備え、当該回路には、接続される発光素子列それぞれに対し、当該発光素子列の発光素子と直列に接続される定電流回路が設けられていることを特徴とする照明用駆動回路。
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