JP2012142453A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
ＡＣ駆動されるＬＥＤ群を複数の発光出力部に分けて、広い範囲の照明を行う方式のＬＥＤ発光装置が望まれていた。
【解決手段】
基板上に実装した、複数の半導体発光素子を第１群と第２群の少なくとも２つのグループに分割して電気的に接続し、交流電源の電圧レベル、または電流量に応じて第１群、第２群の順序で駆動する発光装置において、前記発光装置は複数の発光出力部を有し、各発光出力部に割り当てられる前記第１群及び第２群のＬＥＤの数が同じであること。
【選択図】 図１

Description

本発明はＬＥＤ素子等の半導体発光素子を備えた半導体発光装置に関するものであり、詳しくは交流駆動される半導体発光素子を用いた複数の発光出力部を有する半導体発光装置に関する。
近年、ＬＥＤ素子（以下ＬＥＤと略記する）は半導体発光素子であるため、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く、鮮やかな発光色を有することから、カラー表示装置のバックライトや照明等に広く利用されるようになってきた。本発明においても半導体発光装置としてＬＥＤ発光装置を実施形態として説明する。
特に近年、ＬＥＤを交流電源（以下ＡＣ電源と記載）を用い、時間的に変化するＡＣ電源の電圧レベル又は電流レベルに応じてＬＥＤの直列接続数を切り替えて点灯を行なうＡＣ駆動方式の発光装置が広く採用されている。
また、照明装置の利用方法としても、複数のＬＥＤを直列に実装した場合、屈曲性があって形状の自由度があるため、形状を変形させて広告や装飾用に利用することが提案されている（例えば引用文献１）。
以下図面により引用文献１における従来のＬＥＤ発光装置について説明する。図９は引用文献1におけるＬＥＤ発光装置の構成を示す平面図であり、4個から2個のようにＬＥＤ数の異なるＬＥＤブロックＣ１〜Ｃ７を用意し、これらのＬＥＤブロックを任意の形状になるように配置して文字等を表現している。例えば図９はカタカナの「ス」の字を表現している。
特開２００５−１８３７２１号公報
引用文献１に開示された従来技術は、複数のＬＥＤブロックを構成して、各ＬＥＤブロックの配置を自由にすることで、表示デザインを行うことが目的であり、ＬＥＤブロック毎の駆動条件を一定にすることについては、まったく考慮されていない。
本発明の目的はＡＣ電源で駆動するＬＥＤ発光装置において、前記発光装置を複数の発光出力部を有する構成とし、各発光出力部に対応するＬＥＤブロックごとの明るさや、色調や寿命を均一化させて、照明条件が全体的に同条件で動作させ得る複数発光出力部の半導体発光装置を提供することである。
上記目的を達成するための本発明における構成は、基板上に実装した、複数の半導体発光素子を第１群と第２群の少なくとも２つのグループに分割して電気的に接続し、交流電源の電圧レベル、または電流量に応じて第１群、第２群の順序で駆動する発光装置において、前記発光装置は複数の発光出力部を有し、各発光出力部に割り当てられる前記第１群及び第２群のＬＥＤの数が同じであることを特徴とする半導体発光装置。
上記構成によれば、ＡＣ駆動によって第１群のＬＥＤブロックだけが発光している時も、第１群と第２群のＬＥＤブロックが同時に発光している時も各発光出力部の照明光の明るさは常に同条件となり、各発光出力部に対応するＬＥＤブロックの寿命も同じになる。
発光出力部の数は３または４の発光出力部であるであると良い。
上記の如く本発明によれば、ＡＣ駆動によって第１群のＬＥＤブロックだけが発光している時も、第１群と第２群のＬＥＤブロックが同時に発光している時も各窓部の照明光の明るさは常に同条件となり、各窓部に対応するＬＥＤブロックの寿命も同じになる。
本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置の斜視図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置の各発光出力部に対するＬＥＤブロックの配置図である。 図１に示すＬＥＤ発光装置のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す各ＬＥＤ発光装置の駆動回路を示すシステムブロック図である。 図１に示す各ＬＥＤ発光装置の駆動波形を示す波形図である。 本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置の斜視図である。 図６に示すＬＥＤ発光装置の各発光出力部に対するＬＥＤブロックの配置図である。 本発明の第３実施形態におけるＬＥＤ発光装置の駆動回路を示すシステムブロック図である。 従来技術におけるＬＥＤ発光装置の平面図である。
（第１実施形態）
以下図面により、本発明の実施形態を説明する。図１〜図５は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０を示すもので、図１は本発明の第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０の斜視図、図２は図１に示すＬＥＤ発光装置１０の各発光出力部に対するＬＥＤブロックの配置図、図３は図１に示すＬＥＤ発光装置１０のＡ−Ａ断面図、図４は図１に示すＬＥＤ発光装置１０の回路構成を示すブロック図、図５はＬＥＤ発光装置１０の駆動波形を示す波形図である。
図１においてＬＥＤ発光装置１０は１例として街路灯１００に用いた場合をしめしており、ＬＥＤ発光装置１０は３個の発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有している。そして発光出力部１０ａ、１０ｂ，１０ｃは所定の角度を有して支柱１０１に取り付けられており、広角度範囲に街路を照明している。
図２において、ＬＥＤ発光装置１０を構成する複数のＬＥＤ１は第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４の２つのグループに分けられており、第１ＬＥＤ群３はさらに複数のＬＥＤブロックに分けられており、本実施形態ではＬＥＤブロックＡ１〜Ａ３の３ブロックに分けられている。また第２ＬＥＤ群４もＬＥＤブロックＢ１〜Ｂ３の３ブロックに分けられている。ここで重要なことは第１ＬＥＤ群３を構成するＬＥＤブロックＡ１，Ａ２，Ａ３はいずれも同数のＬＥＤ１で構成されており、また第２ＬＥＤ群４を構成するＬＥＤブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３も同数のＬＥＤ１で構成されていることである。
そして、図３に示す如くＬＥＤ発光装置１０の発光出力部１０ａにはＬＥＤブロックＡ１とＢ１が配置され、同様に発光出力部１０ｂにはＬＥＤブロックＡ２とＢ２が配置され、発光出力部１０ｃにはＬＥＤブロックＡ３とＢ３が配置されている。
すなわち図２に示す如くＬＥＤブロックＡ１，Ａ２，Ａ３が全て同数で、またＬＥＤブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３が全て同数なので、各発光出力部１０ａに配置されたＬＥＤブロックＡ１+Ｂ１、発光出力部１０ｂに配置されたＬＥＤブロックＡ２+Ｂ２、発光出力部１０ｃに配置されたＬＥＤブロックＡ３+Ｂ３は全て同数のＬＥＤ１によって構成されている。
次に図４によりＬＥＤ発光装置１０の電圧レベル切り替え方式の回路システムと駆動方法について説明する。図４において、複数のＬＥＤが第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４の２群に構成されており、第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４はそれぞれ第１リード端子２ａ、第２リード端子２ｂ、第３リード端子２ｃを入力端子として直列に接続されている。また電源１１はＡＣ電源１２と、そのＡＣ電圧を全波整流する整流器１３とにより構成されており、電源端子１３ａ，１３ｂに後述する全波整流された脈波信号（以後ＡＣ駆動電圧と記載する）を出力する。前記ＡＣ電源１２の1例として本実施形態ではＡＣ１２０Ｖ、６０Ｈｚの電源を用いている。
さらに電源端子１３ａ，１３ｂに接続されてＡＣ電圧レベル（ＬＶ、ＨＶ）を検出する電圧レベル検出回路１５と、２つの切替スイッチ１６ａ，１６ｂを有する切替回路１６が設けられており、切替回路１６は電圧レベル検出回路１５の検出信号によって、２つの切替スイッチ１６ａ，１６ｂを制御し、整流器１３の一方の電源端子１３ｂに対し、ＬＥＤ発光装置１０の第２リード端子２ｂと第３リード端子２ｃを切り替え接続する。また整流器１３の他方の電源端子１３ａは電流制限素子１７（例えば抵抗素子）を介してＬＥＤ発光装置１０の第１リード端子２ａに接続されている。
上記構成において、電圧レベル検出回路１５が低い電圧レベルＬＶを検出している間は、切替回路１６は切替スイッチ１６ａがＯＮで、切替スイッチ１６ｂがＯＦＦ状態に維持されている。そして電圧レベル検出回路１５が高い電圧レベルＨＶを検出している間は、切替回路１６は切替スイッチ１６ａがＯＦＦで、切替スイッチ１６ｂがＯＮ状態にきりかわる。
この結果、電圧レベル検出回路１５が低い電圧レベルＬＶを検出している間は、整流器１３の電源端子１３ａから電流制限素子１７を介してＬＥＤ発光装置１０の第１リード端子２ａに接続され、また第１ＬＥＤ群３を流れた電流は第２リード端子２ｂから切替回路１６のＯＮ状態にある切替スイッチ１６ａを通って整流器１３の電源端子１３ｂに接続される。すなわち電圧レベル検出回路１５が低い電圧レベルＬＶを検出している間は整流器１３の電源端子１３ａ，１３ｂ間に第１ＬＥＤ群３が接続され、第１ＬＥＤ群３を構成しているＬＥＤブロックＡ１、Ａ２，Ａ３が発光している。この時に前術の如くＬＥＤブロックＡ１、Ａ２，Ａ３は全て同じ数のＬＥＤ１によって構成されているため、発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの発光強度、すなわち照明としての明るさは同じ条件となっている。
そしてＡＣ駆動電圧が上昇していき、電圧レベル検出回路１５が高い電圧レベルＨＶを検出した時点で、切替回路１６が切替スイッチ１６ａがＯＦＦで、切替スイッチ１６ｂがＯＮ状態に切り替わると、整流器１３の電源端子１３ａから電流制限素子１７を介してＬＥＤ発光装置１０の第１リード端子２ａに接続され、また第１ＬＥＤ群３を流れた電流は第２リード端子２ｂから、第２ＬＥＤ群４に流れこみ第３リード端子２ｃから、ＯＮ状態の切替スイッチ１６ｂを通って整流器１３の電源端子１３ｂに接続される。すなわち電圧レベル検出回路１５が高い電圧レベルＨＶを検出している間は整流器１３の電源端子１３ａ，１３ｂ間に第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４が直列に接続せれ、第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４との発光が行われる。
（ＬＥＤ発光装置１０の各発光出力部に対するＬＥＤブロックの配置説明）
図１に示す如くＬＥＤ発光装置１０は３個の発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有しており、これらの各発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対するＬＥＤブロックの配置は図２に示す如く、第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４は配置構成としては並列に配置され、また電気的には直列に接続せれている。従って図２で説明した如く、ＬＥＤブロックＡ１，Ａ２，Ａ３が全て同数で、またＬＥＤブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３が全て同数なので、図３に示す如く各発光出力部１０ａに配置されたＬＥＤブロックＡ１+Ｂ１、発光出力部１０ｂに配置されたＬＥＤブロックＡ２+Ｂ２、発光出力部１０ｃに配置されたＬＥＤブロックＡ３+Ｂ３は全て同数のＬＥＤ１によって構成されている。すなわち各発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対するＬＥＤブロックの構成は、個数及び配置が全て同じになっているので、各発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの3方向にたいする照明状態は同一となっている。
次に図５の波形図を用いて、ＬＥＤ発光装置１０の駆動方法をさらに詳しく説明する。第１ＬＥＤ群３の発光時間は第１ＬＥＤ群３のＬＥＤの直列素子数で決まり、また第２ＬＥＤ群４の発光時間は第２ＬＥＤ群４のＬＥＤの直列素子数で決まるものであるが、第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０では第１ＬＥＤ群３の直列素子数を３０個、第２ＬＥＤ群４の直列素子数を２０個として説明する。
図５の（ａ）はＡＣ電圧によって駆動される第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４との駆動電流を示すものであり、縦軸は電流示し、点線で示すＡＣ電圧波形によって流れる電流であり、横軸は時間を示している。すなわちＡＣ電圧波形は山形の脈波形を繰り返し、縦軸に示す電圧レベル検出回路１５の検出レベルがＬＶ１までは第１ＬＥＤ群３にのみ電流が流れる。
また、検出レベルがＬＶ１からＨＶ１に切り替わると、第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４の直列接続に電流が流れて、第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４とが発光する。そして、電流が流れて第１ＬＥＤ群３及び第２ＬＥＤ群４が発光している区間が発光区間Ｔであり、ＡＣ電圧が第１ＬＥＤ群３の閾値電圧より低い間は第１ＬＥＤ群３に電流が流れないため、この区間は発光が行われない非発光区間Ｔｏとなっている。
図５の（ｂ）はＬＥＤ群の発光波形を示しており、図５（ａ）の発光区間のうち、図４に示す電圧レベル検出回路１５の検出レベルがＬＶの区間Ｔａは第１ＬＥＤ群３を構成するＬＥＤブロックＡのみが点灯している区間で、電圧レベル検出回路１５の検出レベルがＨＶの区間Ｔａｂは第１ＬＥＤ群３を構成するＬＥＤブロックＡと第２ＬＥＤ群４を構成するＬＥＤブロックＢが同時に点灯している区間であり、そして各発光出力部１０ａ，１０ｂ，１０ｃの発光波形ＫＨは駆動電流波形と相似した同一の形状を有する発光波形となる。
上記の如く、本発明においてはＬＥＤの直列接続のＡＣ電源による切り替え駆動方式において、複数の発光出力部に対する発光条件が、ＡＣ電源の切り替え条件に関わらず、常に同一の発光状態を示しており、また各ＬＥＤに流れる駆動電流も同一となるため、発光装置としての駆動条件に差異がなく、同一の照明効果及び同一の寿命が保たれる。
（第２実施形態）
以下図面により、本発明の第２実施形態を説明する。図６は本発明の第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０斜視図であり、設置型の照明装置に適用した例を示し、４個の発光出力部２０ａ〜２０ｄを備え四角形の照明装置である。
図７は図６に示すＬＥＤ発光装置２０の各発光出力部に対するＬＥＤブロックの配置図であり、第１実施形態における図２の、ＬＥＤブロックの配置図に対応している。また、第２実施形態におけるＬＥＤ発光装置２０は、第１実施形態におけるＬＥＤ発光装置１０と基本的構成は同じなので、違いのみを説明する。
すなわち、第１実施形態のＬＥＤ発光装置１０に対して第２実施形態のＬＥＤ発光装置２０の異なるところは図６に示す通り、発光出力部が２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの４個になっていることである。この結果第２実施形態では図７に示すようにＬＥＤブロックＡ１〜Ａ４の４ブロックに分けられている。また第２ＬＥＤ群４もＬＥＤブロックＢ１〜Ｂ４の４ブロックに分けられている。ここで重要なことは第１ＬＥＤ群３を構成するＬＥＤブロックＡ１，Ａ２，Ａ３、Ａ４はいずれも同数のＬＥＤ１で構成されており、また第２ＬＥＤ群４を構成するＬＥＤブロックＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４も同数のＬＥＤ１で構成されていることでる。
従って、各発光出力部２０ａに配置されたＬＥＤブロックＡ１+Ｂ１、発光出力部２０ｂに配置されたＬＥＤブロックＡ２+Ｂ２、発光出力部２０ｄに配置されたＬＥＤブロックＡ４+Ｂ４は全て同数のＬＥＤ１によって構成されている。すなわち各発光出力部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、２０ｄに対するＬＥＤブロックの構成は、個数及び配置が全て同じになっている。
この結果、第１実施形態の図４に示す駆動回路で駆動されることにより、図５に示す波形図と同様に、各発光出力部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、２０ｄの発光波形ＫＨは駆動電流波形と相似した同一の形状を有する。
従って第１実施形態のＬＥＤブロック１０と同様に、ＬＥＤの直列接続のＡＣ電源による切り替え駆動方式において、４個の発光出力部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ、２０ｄに対する発光条件が、ＡＣ電源の切り替え条件に関わらず、常に同一の発光状態を示しており、また各ＬＥＤに流れる駆動電流も同一となるため、発光装置としての駆動条件に差異がなく、同一の照明効果及び同一の寿命が保たれる。
（第３実施形態）
以下図面により、本発明の第３実施形態を説明する。
図８は本発明のＬＥＤ発光装置１０の駆動回路を示すシステムブロック図であり、ＬＥＤ発光装置１０の電流レベル切り替え方式の回路システムと駆動方法について説明する。図８の回路システムは図４に示す回路システムと基本的構成は同じであり、同一要素には同一番号を付し、重複する説明を省略する。図８に示す回路システムにおいて、図４に示す回路システムと異なるところは、図４に示す電圧レベル切り替え方式の回路システムでは第１ＬＥＤ群３と第２ＬＥＤ群４との切り替え接続を行う切替回路１６の制御を、電圧レベル検出回路１５の電圧レベル検出に基づいて行っていたものを、図８の電流レベル切り替え方式の回路システムでは、切替回路１６の制御を電流レベル検出回路１５ａの電流レベル検出に基づいて行っているものである。すなわち電流レベル検出回路１５ａは電流レベルＬＡ，ＨＡの検出信号により電流制御を行うことによって、ＬＥＤ発光装置１０の動作を行うものである。
上記の如く各実施形態においては、ＬＥＤの直列接続のＡＣ電源による切り替え駆動方式において、複数個の発光出力部に対する発光条件が、ＡＣ電源の切り替え条件に関わらず、常に同一の発光状態を示しており、また各ＬＥＤに流れる駆動電流も同一となるため、発光装置としての駆動条件に差異がなく、同一の照明効果及び同一の寿命が保たれる。
１ ＬＥＤ
２ａ，２ｂ，２ｃ リード端子
３、２３ 第１ＬＥＤ群
４、２４ 第２ＬＥＤ群
１０、２０ ＬＥＤ発光装置
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 発光出力部
２０ａ、２０ｂ，２０ｃ、２０ｄ 発光出力部
１１ 電源
１２ ＡＣ電源
１３ 整流器
１３ａ，１３ｂ 電源端子
１５ 電圧レベル検出回路
１５ａ 電流レベル検出回路
１６ 切替回路
１６ａ，１６ｂ 切替スイッチ
１７ 電流制限素子
１００ 街路灯
２００ 照明装置
Ａ１，Ａ２、Ａ３，Ａ４ ＬＥＤブロック
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４ ＬＥＤブロック

Claims (2)

  1. 基板上に実装した、複数の半導体発光素子を第１群と第２群の少なくとも２つのグループに分割して電気的に接続し、交流電源の電圧レベル、または電流量に応じて第１群、第２群の順序で駆動する発光装置において、前記発光装置は複数の発光出力部を有し、各発光出力部に割り当てられる前記第１群及び第２群のＬＥＤの数が同じであることを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記発光出力部は３個または４個の発光出力部である請求項１に記載の半導体発光装置。
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