JP5848246B2 - 掲示板照明システム - Google Patents

Description

本発明は掲示板照明のための方法及びＬＥＤ装置に関する。
［関連出願］
この出願は、出願人によって２００９年７月１５日に出願された米国の特許仮出願番号６１／２２５，６２９に関連し、その出願から優先権を主張する。

掲示板用のＬＥＤ照明は、従来の高輝度照明と比較して大幅な保守節減を提供する。適切に制御されれば、ＬＥＤ照明は従来のランプよりはるかに大きな耐用年数を有し、ＬＥＤ照明は動作の最初の３ヵ月で約３０％の強度を失う可能性のある従来のランプの強度劣化がない。従来のランプは大体、サービスの後６ヵ月くらいで交換される。

従来技術のＬＥＤ装置は、その保守優位性にもかかわらず、従来の照明を交換する強制的な経済動機付けを提供する非常に効果的な解決策を提供することに成功しなかった。

より高い効率のＬＥＤ掲示板照明システムが必要である。

［従来技術装置］
図１に示されるように、１４フィート×４８フィート（おおよそ４．３ｍ×１４．６ｍ）の大きい掲示板の従来技術照明の一般例は、４つのメタルハライドランプ取付け治具の利用がある。総エネルギー必要量が１６００ワット以上になるように、各々のランプは大体４００−５００ワットである。

他の従来技術装置は、Ｈａｌｏｐｈａｎｅ（登録商標）取付け治具である。その販売業者は、２つの４００ワットのランプが掲示板を照明するために用いられ得ると報告する。

Ａｄｔｅｃｈ（登録商標）、Ｅｃｏｔｅｃｈ（登録商標）シリーズのＬＥＤ照明は、掲示板面につき合計６２４ワットを使用するといわれている。

本発明の一態様は、面ごとにトータルで略２００ワットの効果的な掲示板照明を提供する能力である。

本発明は、従来技術装置より劇的に高い効率を提供する。このより高い効率は、従来の照明製品に接近する価格で売れるように、従来技術のＬＥＤ掲示板製品より複合デバイスを減らして達成される。実質的に改良されたエネルギー効率、ローコスト及び長寿命ＬＥＤ装置を提供する能力はまた、ソーラー、風、または装置のための他の低いエネルギー密度力の利用を促進する。

本発明は、既存の掲示板を改造する方法、新規な掲示板の照明を提供する方法、ＬＥＤ照明装置を取り付け、正しい位置に置く方法、ＬＥＤ照明コントローラーと通信する方法、ＬＥＤ装置を制御する方法、を含む。

本発明は、例えば掲示板等のＬＥＤ照明装置を設計し、製造する方法を含む。

本発明は、例えば掲示板等のＬＥＤ照明装置を含む。

上記設計方法の一部の態様は、以下（・及び○）を含む。

・ＬＥＤ装置は、少数の別個の装置それぞれがエネルギー入力要件に関連する非常に効果的な光源として使用できるように、設計されるかまたは選択される。このＬＥＤ設計又は選択の条件は、以下を含む。

○図４に示されるようなパッケージ高さに関連するＬＥＤパッケージの中間部分におけるダイオードの好ましい位置決めを含む。この位置決めは、より効率的な自然光の取得と反射を促進する。

○「レンズ」またはダイオード容器の選好性は、
・湾曲レンズを直接通すダイオードから直接に伝播される光の相対的に高い割合に起因して不均一な照明を作り出す湾曲レンズの使用を避け、
・光の微細な散乱を提供し、
・ダイオードに関連して比較的大きなＬＥＤパッケージを提供する。このような大きいパッケージングは、「点光源」ＬＥＤに比べてより大きい光源に寄与する。湾曲レンズを有する「点光源」ＬＥＤは、レンズに対して垂直な軸に沿って、高輝度の領域を提供し、この光源を広域上の均一な光に変換することはできない。この効果の結果として、従来技術装置は、多数の比較的小さなＬＥＤを有する傾向になり、したがって、より高いコストを有し、効率を低下させ、未だ、掲示板用の均一な光パターンの分配に問題を抱えている。後述するように、幅４８フィート（約１４．６ｍ）の掲示板用の本発明の実施例は、１２００個のＬＥＤを使用する従来技術装置に対して４８個のＬＥＤを使用する。

○ダイオード横断面より非常に大きな蛍光体ディフューザーエリアを有するディフューザーを提供する。後述する１つの実施例において、蛍光体ディフューザーは、ダイオードの面積よりおおよそ１０倍大きな面積を有する。この大きな蛍光体エリアは、ダイオードからのより効果的な自然光の取得が可能で、点光源よりも非常に大きいエリアとして、ＬＥＤを示す。

一つの実施例において、これらのＬＥＤ設計検討の多くは、例えばＣｉｔｉｚｅｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｇｒｏｕｐ株式会社のＣＬ−Ｌ１０２シリーズのＬＥＤのような市販のＬＥＤを選ぶことによって遂行される。他の場合において、これらの設計方法は、掲示板照明または他の応用のための最適なＬＥＤ設計に用いられ得る。

・以下のような技術を使用して反射を最適化する。

○掲示板用に一様な非対称のパターンを提供する反射器の設計。一つの実施例において、直接照明が掲示板の比較的大きなエリアに与えられる間、ほとんどの反射光は掲示板の目標面の比較的小さい部分に向けられる。

○高さ８フィート（約２．４ｍ）、高さ１０フィート（約３ｍ）及び高さ１４フィート（約４．３ｍ）を含む様々なサイズの掲示板に対し、同じ反射器の設計を用いることによって、規模の経済性（スケールメリット）を維持する。掲示板から異なる投影サイズに到達するまでの異なる距離に、共通の反射器が提供され配置され得る。

○取付け距離と角度を変化させるための調節可能なブラケットを提供し、かつ、適切に反射器（ハウジング）を整列配置するために、単純で信頼性の高い方法を提供する。一つの実施例において、この配列は、掲示板の上下部からハウジングまで一対の単純なストリングを用いることによって得られ、このストリングの付いたハウジング上の基準マークを整列配置する。

・以下のような技術を用いて屈折を最適化する。

○第１の「ディフューザークランプ」、そして、第２のディフューザーレンズ（拡散レンズ）を提供する。

○温度管理用にＬＥＤとハウジングとの間の良好な熱的接触を得るために第１のディフューザークランプを使用し、ＬＥＤ光源の「ハーシュネス」を少なくし、ＬＥＤの外側に伝播した黄信号を反射する又は遮断し、そして、上部側ヒートシンクをＬＥＤに提供する。

・技術を駆使してＬＥＤ装置制御を最適化する。

掲示板用の従来技術で４つのモジュール照明装置の例である。 ディフューザークランプの一例の側面図である（この図が非対称の掲示板反射器よりむしろ対称形の反射器を示す点に注意する）。 主反射器及び拡張プレートを示す本発明の一実施例の反射器設計の斜視図である。 複数の代表的な光線を示している図３Ａの反射器設計の側面図である。 ＬＥＤ、ディフューザークランプ及び拡散レンズを示す実施例の簡略断面図である。

［構成要素のリスト］
以下の構成要素のリストは、便宜のために提供される。

照明モジュール １００
ハウジング １２０
反射器保持プレート １３０
ヒートシンク反射器 １５０
反射器拡張プレート １５２
反射器拡張プレートの曲がった角 １５４
ＬＥＤパッケージ ２００
ダイオード ２１０
蛍光体ディフューザー ２２０
平坦で微細な拡散レンズ ２３０
ディフューザークランプ ２５０
上方に面する微細な散在パターン ２５２
コントローラー ３００
バッテリー ３１０

［電球よりむしろ取付け治具を交換することの効果］
多くのプレーヤーは、ＬＥＤ照明の現場で、電球や蛍光管、そして高圧ナトリウム取付け代用品を提案し、販売する。本発明の一実施例は、長期にわたる動作の間、スイートスポットにおいて接合温度が維持されるように、ＬＥＤ照明配置によって生じる熱を効率よく分散させる唯一の方法として、全部の取付け品の交換である。

最も一般の掲示板照明配置は、掲示板の比較的均一な範囲を提供するように設計された４８０ワット高圧ナトリウムランプ（ＨＰＳランプ）及び特性ミラー配置である。ＨＰＳ（ＨＰＳランプ）の効果的な配置は、電球が新しく、温度でしばしば表現されるスペクトルが約５５００Ｋ（明るい白）で、１ワットあたり略５６ルーメンである。ランプのガラス形状が、ミラーの向けられるフィールドの中央に熱く明るい点を生じさせる集束レンズを作るようになって、明るい点が常に中心にある。

掲示板照明用に電球代替品を作る代わりに、この実施例は、交換取付け治具製作のためにある。このように、ＬＥＤ照明の光出力限定は、出願人によって出願中の特許出願（米国特許出願番号第６１／１１５７３９号、６１／１１５７７５号、６１／１１５７９０号及び６１／１４９０７６号は、本文献を参照することにより組み込まれる）にて説明したように、理想的な操作環境と、最適な配光、及び明る過ぎる光源に対するユーザの反感を解消する普及とを提供することで補償され得る。

本発明の一態様は、効率的な照明技術の早めのロールアウトを容易にすることであり、これにつき、効率化は以下（・）の組合せとして定義される。

・力率補正された照明装置は、エネルギー・ユーザによる悪い力率を補償する変電所の大きい又はより大きなコンデンサが他にあれば、より低くする要求によって変電所のコストを減らす。これは、照明がエネルギー使用の主要構成要素であるということで重要である。

・状態の悪い又は不安定なＨＰＳランプ又は蛍光管を交換する必要はなく、あるいはそれらのバラスト不全は、ガラス及び銅及び鉄、希ガスの浪費を減らし、水銀搭載の管又は電球の安全な処理の必要性を除去する。蛍光管及びＨＰＳランプは、照明の主な供給源である限り、不十分に廃棄処分され水銀中毒環境の主な供給源である。

・内部からディフューザーを掃除する必要がない。電球または蛍光管を変える必要がないので、ディフューザー、反射器及びＬＥＤキャリアは密閉され得、従ってディフューザーの外側だけは清掃を必要とする

・ＬＥＤでの拡散及びある距離での拡散は、よりよく光を散乱させることによって、光出力の減少がほとんどなしに掲示板面上の拡散光の均一な配光を改善する。

・反射器領域の不必要なエリアにおける光の屈折用のミラーを加え、それらの光線をそれらが光量（光度）を代替することのできるターゲット領域の領域に向けることによって、光のより良好な使用は達成され得る。これは、ターゲット領域の実際の光放射を更に改良して、発光体から出る全体の光出力を補償する。

・ＬＥＤ取付け設備全体の重量は、掲示板構造への機械のおよび風荷重を減らしている等価な従来のＨＰＳまたは蛍光照明設備以下である。

・より低い発熱は、ランニングコスト及び二酸化炭素排出量をかなり減少させる。二酸化炭素排出量は、ＨＰＳランプと比較して約８５％、蛍光管と比較して約１５％削減される。本出願において使用される特定の型式のＬＥＤが１０年間にわたって完全な光出力（９５％以上）を保持する期間で、同じ光出力を保つためには１０年サイクルでＨＰＳランプは６ヶ月毎、蛍光管は９ヶ月毎に交換しなければならない。

本実施例において、全部の掲示板照明器具は交換される。このように、電気技術者は、古い取付け部品の接続を切ることができ、新規な取付け部品を再接続することができる。それに反して電球又は蛍光管交換技術では、バラストは取り外すか使用不能にする必要があり、取付けは配線し直されなければならず、かつ／又は、レセプタクルは交換されなければならない。管又は電球は取り付けられなければならない。不十分な冷却及び結果として生じる低いエネルギー効率、そして、ディフューザーを掃除する必要性、このような不都合な点は、電球と管の交換を存在させ続ける。

［実施例−第１側部照明システム］
この例では、掲示板の一側部は、４つの照明モジュール１００を含む第１側部照明システムで照らされる。掲示板の第２側部は、また４つの照明モジュールを含む第１側部照明システムで照らされる。

［ＬＥＤ掲示板交換取付け部品用の照明モジュール１００の構造例］
この例では、４つのＬＥＤモジュールを有する高効率ＬＥＤ掲示板照明システムは、既存の照明モジュールを交換する。各々の照明モジュールは、２列に並べられる６つのヒートシンク・アセンブリを備えている。ヒートシンク・アセンブリは、ヒートシンク反射器に載置するＬＥＤパッケージを含む。

［ハウジング及び反射器の設計−ヒートシンク・アセンブリ］
図３Ａは、メインヒートシンク反射器１５０及び反射器拡張プレート１５２を示している本発明の一実施例の反射器設計の斜視図である。

図３Ｂは、複数の代表的な光線を示している図３Ａの反射器設計の側面図である。

本実施例において、一般の構造は、アルミニウムまたは銅で、溶接され、押出され又は形成されたフレームハウジング１２０であって、適所にディフューザー２６０及び反射器１５０の封止を保つためのベースとして作用する別々であるか付属の反射器保持プレート１３０を有する。

その構造は、速い組立てと剛性構造を可能とし、一つの容器における２ユニットの搭載がガラスディフューザーを壊すことなく達成され得る。

一つの実施例において、反射器は、「形成される」、「切断され折り曲げられる」、「押出される」、又は最高の熱伝達のための「鋳造アルミニウム」３０００又は６０００シリーズあるいは適切な形状を製造する他のあらゆる方法から製造される。

反射器はまた、例えばクロムなど非常に反射する材料で被覆された銅から、又は高光沢ニッケル又はガラスへの貼り付け又はプラスチックミラーから製造され得る。

［拡張プレート］
本実施例において、反射器拡張プレート１５２は、反射エリアを広げるために、主反射ミラーに取り付けられることができる。

この例では、拡張プレートは、主反射器の両側に広がる。拡張プレートの端部は、掲示板の側部から光があふれ出るのを除去するために、例えば４５°の角度で曲がっていてもよい。

［アライメント特性］
ハウジングは、下記の取付けセクションにて説明されるように、装置の容易なフィールドアライメントができるようにする参照記号を含むことができる。

［ＬＥＤパッケージ］
本実施例において、ＬＥＤパッケージは、ダイオード及び第１の屈折要素を含む。

本実施例において、ＬＥＤは、１２０°の視野角を有するＣｉｔｉｚｅｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｇｒｏｕｐ株式会社のＣＬ−Ｌ１０２シリーズのＬＥＤである。各々のモジュールは、モジュールにつき合計５つのＬＥＤに対し３つのＬＥＤの２つの列を有する。高さ１４フィート（約４．３ｍ）の掲示板に対し、８ワットのＬＥＤが用いられる。高さ１０フィート（約３ｍ）の掲示板に対し、７ワットのＬＥＤが用いられる。そして、高さ８フィート（約２．４ｍ）の掲示板に対し、６ワットのＬＥＤが用いられる。

ＬＥＤは、１４０ルーメン／ワットを提供する。これに対して、従来技術のＬＥＤ照明は、本発明のモジュール用の約５０ワットに対して、１ワットあたり４０ルーメン、つまり光モジュール用に約１７０ワットを使用することができる。

ＬＥＤは、典型的に選ばれるか、ワットあたりの光出力及びコストあたりの光出力を考慮して設計される。

［屈折要素］
図４は、例示の実施例の簡略断面図である。この例では、４つの照明モジュールの各々は６つのＬＥＤを有し、２本の列に並べられる。本実施例における、ＬＥＤの一部の態様は、ＬＥＤパッケージ中で比較的高いダイオードの設置、ダイオードのおおよそ１０倍のエリアを有する蛍光体ディフューザー、そしてＬＥＤ上の平坦な拡散レンズを含む。屈折は、２つの屈折要素で管理される。

モジュールあたり６つのＬＥＤは、幅４８フィート（約１４．６ｍ）の掲示板の４つのモジュールに対し合計２４個のＬＥＤを表す。対照的に、従来技術のＬＥＤ装置は、幅４８フィート（約１４．６ｍ）の掲示板に対し、合計約１２００個のＬＥＤを提供する。

図２は、実施例のディフューザークランプの側面図である。

第１の屈折要素は、ディフューザークランプ２５０であって、例えば、微細な散在パターン２５２が上向きに付いた３／１６インチ（おおよそ（７．６２×１０^-2）／（４．０６×１０^-1）ｍ）のＩｎｄｕｓｔｒｅｘ（登録商標）ガラスである。このディフューザークランプは、熱的な処理のために、ハウジングと良好な熱的接触するようにＬＥＤを固定すること、ＬＥＤ光源の「ハーシュネス」を少なくすること、ＬＥＤの外側に伝播した黄信号を反射又は遮断すること、そして、上部側ヒートシンクをＬＥＤに提供すること、を含むいくつかの機能を果たす。この例では、ディフューザークランプは、ＬＥＤの側部からの黄信号を遮断するために、ＬＥＤを過ぎて拡張する。

第２の屈折要素は、拡散レンズ２６０であって、例えば、微細な散在パターン２６２が下向きに付いた３／１６インチ（おおよそ（７．６２×１０^-2）／（４．０６×１０^-1）ｍ）のＩｎｄｕｓｔｒｅｘ（登録商標）ガラスである。下向きの微細な散在パターンを有するこの拡散レンズを正しい位置に置くことは、レンズ上部の塵の蓄積を減らす。このレンズの１つの機能は、ＬＥＤハーシュネスを減らすことである。

比較的薄い屈折要素が、反射を減らすために用いられ得る。

［コントローラー］
本実施例において、カスタムコントローラが用いられる。

コントローラーは、カレンダーを除いて夜明けから夕暮れまでのタイミングを近似して決定し得る。一つの実施例において、コントローラーは、当日の前の３日の間の夜明け及び夕暮れを記録して、夕暮れにＬＥＤをターンオンする。真夜中にＬＥＤをターンオフして、夜明け２時間前にターンオンする。タイミングの選択は、その他製作され得る。

コントローラーは、それが４つの１２ボルトバッテリーで動くことができるように、低電圧（４８ボルト）コネクタを備えている。コントローラーは、力率補正される、スイッチモード電源を有するものであって、２次側が、モニタしてバッテリーを充電するために直接バッテリーに接続され得、バッテリーから直接に動作することができる。この設計は、より長いバッテリー寿命のためのより効果的なバッテリー管理を可能とする。

本実施例において、各々のモジュールは、コントローラーを備えている。１つのコントローラーは、センサであるように構成され、ワイヤによって又はワイヤレスで、他のコントローラーに情報を提供する（通信する）ことができる。

［実施例の説明−取付け及び位置合わせ方法］
新しい又は交換モジュールは、掲示板上に取付けるために提供される。モジュールハウジング上の位置合わせマークは、迅速に適当な間隔及び配向角を確立するために、掲示板の上下部からのストリングと連携される（合わせられる）。

［実施例の説明−施工方法］
一つの実施例において、サイドパネルは、封止および位置合わせ特性を伴い準備される。外側のヒートシンクは、反射器ベースに熱的に接続されている。ＬＥＤ電力供給は、反射器ベースの後ろに取付けられる。反射器ベース／ヒートシンクは、ガラスディフューザーによって保持される反射器上のＬＥＤを備えており、導入されたシリコン接着剤シールによって封止される。フレームは、反射器ベースに載置される。

［実施例の説明−通信及び制御方法］
ＬＥＤコントローラーは、ワイヤによって又はワイヤレスで他のコントローラーと通信することができる。これによって、単一のコントローラーがオン／オフ動作の制御信号を決定するかまたは受信して、他のコントローラーと通信することができる。

［実施例の説明−設計方法］
設計方法の一部の態様は、以下（・及び○）を含む。

・ＬＥＤ装置は、少数の別個の装置それぞれがエネルギー入力要件に関連する非常に効果的な光源として使用できるように、設計されるかまたは選択される。このＬＥＤ設計又は選択の条件は、以下を含む。

○図４に示されるようなパッケージ高さに関連するＬＥＤパッケージの中間部分におけるダイオードの好ましい位置決めを含む。この位置決めは、より効率的な自然光の取得と反射を促進する。

○「レンズ」またはダイオード容器の選好性は、
・湾曲レンズを直接通すダイオードから直接に伝播される光の相対的に高い割合に起因して不均一な照明を作り出す湾曲レンズの使用を避け、
・光の微細な散乱を提供し、
・ダイオードに関連して比較的大きなＬＥＤパッケージを提供する。このような大きいパッケージングは、「点光源」ＬＥＤに比べてより大きい光源に寄与する。湾曲レンズを有する「点光源」ＬＥＤは、レンズに対して垂直な軸に沿って、高輝度の領域を提供し、この光源を広域上の均一な光に変換することはできない。この効果の結果として、従来技術装置は、多数の比較的小さなＬＥＤを有する傾向になり、したがって、より高いコストを有し、効率を低下させ、未だ、掲示板用の均一な光パターンの分配に問題を抱えている。後述するように、幅４８フィート（約１４．６ｍ）の掲示板用の本発明の実施例は、１２００個のＬＥＤを使用する従来技術装置に対して４８個のＬＥＤを使用する。

○ダイオード横断面より非常に大きな蛍光体ディフューザーエリアを有するディフューザーを提供する。後述する１つの実施例において、蛍光体エリアは、ダイオードからのより効果的な自然光の取得が可能で、点光源よりも非常に大きいエリアとして、ＬＥＤを示す。

・以下のような技術を使用して反射を最適化する。

○掲示板に対し一様な非対称のパターンを提供する反射器の設計。一つの実施例において、直接照明が掲示板の比較的大きなエリアに与えられる間、ほとんどの反射光は掲示板の目標面の比較的小さい部分に向けられる。

○高さ８フィート（約２．４ｍ）、高さ１０フィート（約３ｍ）及び高さ１４フィート（約４．３ｍ）を含む様々なサイズの掲示板に対し、同じ反射器の設計を用いることによって、規模の経済性（スケールメリット）を維持する。掲示板から異なる投影サイズに到達するまでの異なる距離に、共通の反射器が提供され配置され得る。

○取付け距離と角度を変化させるための調節可能なブラケットを提供し、かつ、適切に反射器（ハウジング）を整列配置するために、単純で信頼性の高い方法を提供する。一つの実施例において、この配列は、掲示板の上下部からハウジングまで一対の単純なストリングを用いることによって得られ、このストリングの付いたハウジング上の基準マークを整列配置する。

・技術を駆使して屈折を最適化する。

○ＬＥＤ装置制御を最適化する。

Claims (2)

1. 複数の照明モジュールを有する第１側部照明システムを備える掲示板照明システムであって、
   前記複数の照明モジュールを構成する各照明モジュールが、
   ハウジングと、
   各ヒートシンク・アセンブリが、ヒートシンク反射器、該ヒートシンク反射器に対して載置される少なくとも一つのＬＥＤパッケージを有する、複数のヒートシンク・アセンブリと、
   第１のＬＥＤコントローラーと、を有し、
   前記ＬＥＤパッケージは、
   ダイオードと、
   該ダイオードの面積より１０倍大きな面積を有する蛍光体ディフューザーと、
   第１の屈折要素と、
   前記第１の屈折要素から離れて間隔を置いた拡散レンズと、を含み、
   前記第１の屈折要素は、前記ハウジングと前記ＬＥＤパッケージとが熱的接触するように、前記ＬＥＤパッケージを前記蛍光体ディフューザーを介して固定するディフューザークランプであることを特徴とする掲示板照明システム。
2. 請求項１に記載の掲示板照明システムにおいて、
   前記ディフューザークランプは、微細な散在パターンが上向きに付いた３／１６インチ（おおよそ（７．６２×１０^-2）／（４．０６×１０^-1）ｍ）のガラスである掲示板照明システム。

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