JP5192835B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体発光素子を光源とする発光装置に関する。

従来から、発光ダイオード等の固体発光素子を光源とする発光装置が提案されている。このような発光装置の点灯制御方式としては、例えば交流電圧を整流平滑した直流電圧を固体発光素子に印加して点灯する直流点灯制御方式（例えば特許文献１参照）と、交流電圧を整流平滑した直流電圧を昇圧し、昇圧した直流電圧を高周波でスイッチングすることで得られる矩形波電圧を固体発光素子に印加して点灯するスイッチング点灯制御方式（例えば特許文献２参照）と、交流電圧を固体発光素子に印加して交流電圧の一周期中の所定の区間のみを利用して点灯するパルス点灯制御方式とが知られている。

近年では、従来の電球を光源とした交通信号機に代わって発光ダイオードを光源とした交通信号機の普及が進んでおり、このような交通信号機に用いる発光装置には、部品点数の少ないために容易に小型化することができ且つ故障率の低いパルス点灯制御方式が用いられている。
特開２００６−７３６３７号公報 特開平１１−６７４７１号公報

ところで、従来の電球を光源とした交通信号機から発光ダイオードに切り替えるにあたり、パルス点灯制御方式を交通信号機に採用する場合には、発光効率の点から直列に接続する発光ダイオードの個数を多くする必要があり、直列に接続する発光ダイオードの個数を多くすることで点灯に必要な電圧が高くなる。これは、商用電源に適合したシステムであり、停電や災害発生時においては、交通信号機が作動できず、交通の安全確保上は万全とは言えない場合がある。

一方、建物等においては、非常時に備えた非常灯、誘導灯等、二次電池を使用した非常用照明装置が普及しているが、このようなシステムを、交通信号機に展開するには、交通信号機の消費電力、駆動電圧を考えると、非常に大きなシステムとなり、一般に採用されていない状態である。

本発明は、上記の点に鑑みて為されたもので、簡単な構成で非常時にも交通信号機の機能を維持できる発光装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、図１に示すように、限流要素Ｒと１つ以上の固体発光素子Ｌとを直列に接続した直列回路１１，１２を複数個並列に接続して成る発光部１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、交流電源ＡＣに接続されて交流電圧を全波整流して発光部１に駆動電圧を供給する点灯装置２とを備えた発光装置であって、発光部１は、少なくとも１つの直列回路１２の固体発光素子Ｌの不点灯期間が他の直列回路１１の固体発光素子Ｌの不点灯期間よりも短く、交流電源ＡＣの遮断時には、不点灯期間の短い直列回路１２の固体発光素子Ｌを点灯させることのできる非常用電源３を併設して成り、発光部１は、少なくとも１つの直列回路１２の固体発光素子Ｌの個数が他の直列回路１１の固体発光素子Ｌの個数よりも少なく、発光部１は、少なくとも１つの直列回路１２の固体発光素子Ｌの個数が１個であり、非常用電源３は、不点灯期間の短い直列回路１２の固体発光素子Ｌによる固有電圧Ｖｆ２より高く、不点灯期間の長い直列回路１１の固体発光素子Ｌによる固有電圧Ｖｆ１より低い電圧に設定して成ることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、発光部１と点灯装置２とが少なくとも収納される灯具８を備えたことを特徴とする（図４）。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、灯具８は、発光部１ａ，１ｂ，１ｃを外側に臨ませるための開口部９ａ，９ｂ，９ｃを有し、不点灯期間の短い直列回路１２の固体発光素子Ｌを開口部９ａ，９ｂ，９ｃの略中央に配置したことを特徴とする（図５（イ），（ロ））。

請求項４の発明は、請求項２の発明において、灯具８は、発光部１ａ，１ｂ，１ｃを外側に臨ませるための開口部９ａ，９ｂ，９ｃを有し、不点灯期間の短い直列回路１２の固体発光素子Ｌを開口部９ａ，９ｂ，９ｃの周縁に配置したことを特徴とする（図５（ハ））。

請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかの発明において、発光部１ａ，１ｂ，１ｃ、点灯装置２、非常用電源３及び灯具８は、交通信号機用であることを特徴とする（図４）。

請求項１の発明によれば、複数個の直列回路のうち一部の直列回路の固体発光素子の個数を他の直列回路の固体発光素子の個数より少なくしたので、簡単な回路構成でありながら、交流電源の遮断時には非常用電源を用いて発光装置の最小限の機能を維持することができる。

また、請求項１の発明によれば、非常用電源の電圧を不点灯期間の短い直列回路の固体発光素子による固有電圧より高く、且つ、不点灯期間の長い直列回路の固体発光素子による固有電圧より低くしたことにより、非常時の点灯は、直列回路の固体発光素子の個数の少ない回路のみが点灯することで、非常時の消費電力が少なく、小さな電池等でも一定時間の最低限の安全確保が可能となる。また、固体発光素子の直列接続個数が異なることを利用して光源を選択しているので、特別に固有の固体発光素子への切り替え接続が不要となり、簡単な回路にて実現することが出来る。

請求項２の発明によれば、請求項１の効果を奏する灯具を有した発光装置を実現することができる。

請求項３の発明によれば、不点灯期間の短い固体発光素子を含む直列回路を開口部の略中央に配置することで、配線を容易に、また、非常時の視認性を高めることができるという効果が得られる。

請求項４の発明によれば、不点灯期間の短い固体発光素子を含む直列回路を開口部の周縁に配置することで、非常時の視認性を比較的広いエリアで確保することができ、認識の容易性が得られるという効果が得られる。

請求項５の発明によれば、請求項２〜４のいずれかの効果を奏する非常用電源を搭載した交通信号機を提供することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態は、図１に示すように、限流素子である抵抗Ｒと１つ以上の発光ダイオードＬとを直列に接続して成る複数の直列回路１１、１２を並列に接続して構成された発光部１（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、交流電源ＡＣに接続されて交流電圧を全波整流して発光部１に駆動電圧を供給する点灯装置２と、非常用電源３とを備えてなる。

点灯装置２は、例えばダイオードブリッジから成り、交流電源ＡＣからの交流電圧を全波整流し、整流された脈流電圧Ｖ１を発光部１に出力する。尚、点灯装置２は、交流電圧を全波整流するものであれば、他の回路構成でも構わない。

発光部１は、抵抗Ｒと複数（本実施形態ではｎ個）の発光ダイオードＬとを直列に接続して成る第１の直列回路１１が複数個並列に接続されており、これら第１の直列回路１１と並列に抵抗Ｒと１個の発光ダイオードＬとを直列に接続して成る第２の直列回路１２を接続している。発光部１（１ａ，１ｂ，１ｃ）はオン・オフ制御用のスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃを備え、いずれかの発光部のスイッチが閉じられると、第１の直列回路１１と第２の直列回路１２の並列回路に脈流電圧Ｖｄｃが印加される。なお、第１の直列回路１１における発光ダイオードは、発光ダイオードＬの１個あたりの順方向電圧が、赤色・黄色発光ダイオードで約２Ｖ、青緑色発光ダイオードで約３．５Ｖであることを考慮すると、交流電圧ＡＣが電源電圧１００Ｖの商用電源であれば２０個乃至３０個を直列に接続することが望ましい。

以下、本実施形態の動作説明をする。図２に示すように、第１の直列回路１１の発光ダイオードＬは、脈流電圧Ｖｄｃが発光ダイオードＬを点灯させるのに必要な順方向電圧Ｖｆ１＝ｎ×Ｖｆを上回っている時のみ点灯するため、点灯状態と不点灯状態とを交互に繰り返す。ここで、発光ダイオードに流れる電流は、Ｉｆ１となる。

次に、第２の直列回路１２の発光ダイオードＬの個数は、第１の直列回路１１の発光ダイオードＬの個数より少なく、したがって、順方向電圧Ｖｆ２はＶｆ１より低くなり、第２の直列回路１２に流れる電流は、Ｉｆ２となる。

点灯装置２からは、上記発光部１と並列的に信号制御回路駆動用の低電圧変換回路６に電圧Ｖ１が供給され、低い直流電圧Ｖ２に変換されて出力される。この低い直流電圧Ｖ２により信号制御回路７が駆動されて、信号制御回路７の出力に基づいて発光部１の点灯、消灯が、リレーなどのスイッチＳａ，Ｓｂ，Ｓｃによって制御される。なお、発光部１ｂ，１ｃは発光ダイオードＬの発光色が異なる点、リレーなどのスイッチＳｂ，Ｓｃのオン・オフタイミングが異なる点以外は、発光部１ａの構成及び動作と同じである。

低電圧変換回路６からは、非常用電源３に抵抗等を介して充電される。ここで、非常用電源３は例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池のような２次電池を用いているが、これに限定されるものではない。非常用電源３の電圧は、少なくとも第２の直列回路１２の発光ダイオードＬが点灯し得る電圧以上に設定されている。

以上のように、商用電源ＡＣが通電状態においては、信号制御回路７によって制御される状態に基づき、全ての発光ダイオードが点灯制御されると共に、非常用電源３に充電がなされる。

尚、本実施形態では、第２の直列回路１２は１系列として記載しているが、複数あっても構わないし、第２の直列回路１２における発光ダイオードも、１個として記載しているが、非常用電源３の電圧以下となるような発光ダイオードの順方向電圧であれば、１個に限らない。また、限流要素として抵抗Ｒを用いた例を記載しているが、定電流素子、または、定電流回路であっても構成し得ることは言うまでもない。

次に商用電源ＡＣが遮断された、いわゆる停電の状態を想定して説明を行なう。商用電源ＡＣから電圧が供給されず、商用電源ＡＣからの動作はされなくなる。非常用電源３に充電はされなくなるが、非常用電源３から整流素子４ａを介して信号制御回路７には電源が供給されることで、信号制御回路７は動作を維持することができる。

また、発光部１に対しても、整流素子４ｂを介して非常用電源３から電圧が供給される。ここで、第１の直列回路１１は、発光ダイオードＬの直列個数による順方向電圧が非常用電源３の電圧より高く設定されているため、非常用電源３によっては、点灯することは出来ない。逆に言えば、これにより消費電力が自動的に低減できる仕組みとなっている。

一方、第２の直列回路１２の発光ダイオードの順方向電圧は、非常用電源３の電圧より低く設定されているため、第２の直列回路１２につながる発光ダイオードだけは点灯を維持することが出来る。

以上のように、商用電源ＡＣの遮断時においても、少なくとも第２の直列回路１２が点灯制御されることで、全てが消灯してしまうことを防ぐことができる。

発光部１は、例えば、青緑色１ａ、黄色１ｂ、赤色１ｃのように構成すると、信号機として作用するし、また、青緑色１ａ、赤色１ｃのみとすると、歩道用信号機として作用する。その他、ビルにおける常時／非常時兼用の照明装置における非常時の暗がりを防ぐ用途においても有効と考えられる。

（実施形態２）
次に本発明の実施形態２について図３を用いて説明する。図１と同じ機能を有する部分には、同じ符号を付して重複する説明を省略する。図１との違いは、第２の直列回路１２における発光ダイオードが１個ではなくｎ２個であり、その順方向電圧Ｖｆ２（＝ｎ２・Ｖｆ）が非常用電源３の電圧よりは高い点と、非常用電源３の電圧を停電時に昇圧して出力する昇圧回路５を設けている点である。なお、第１の直列回路１１における発光ダイオードの個数ｎ１は、第２の直列回路１２における発光ダイオードの個数ｎ２よりも多く、Ｖｆ１＞Ｖｆ２である。

第２の直列回路１２は、発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ２（＝ｎ２・Ｖｆ）が第１の直列回路の発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１（＝ｎ１・Ｖｆ）よりは低いが、非常用電源３の電圧よりは高い条件で構成される。したがって、図１に示した回路では、停電時に発光ダイオードを点灯せしめることが出来ない。そこで、図３の回路においては、非常用電源３から昇圧回路５により第２の直列回路１２の発光ダイオードの順方向電圧Ｖｆ２（＝ｎ２・Ｖｆ）以上となる電圧に昇圧を行い、その出力から整流素子４ｃを介して発光部１に電力供給している。

なお、図３において、昇圧回路５により発生する電圧により、低電圧変換回路６が駆動可能な場合には、整流素子４ａは無くても構わない。また、整流素子４ａは、非常用電源３から信号制御回路７に給電するように接続しているが、設計条件等によっては、昇圧回路５の出力端から信号制御回路７に給電するように接続してもよい。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について図４を用いて説明する。本実施形態は、図４に示すように、実施形態１の発光部１及び点灯装置２を交通信号機の灯具８に収納して成る。灯具８は発光部１ａ，１ｂ，１ｃを外部に臨ませるための３つの略円形状の開口部９ａ，９ｂ，９ｃを有する略長円形状の箱体であって、各開口部９ａ，９ｂ，９ｃの全面に亘って発光部１ａ，１ｂ，１ｃの発光ダイオードが対向配置されている。

発光ダイオードが発光する色は開口部９ａ，９ｂ，９ｃ毎に異なっており、図４における左の開口部９ａは緑色、中央の開口部９ｂは黄色、右の開口部９ｃは赤色となっている。なお、発光ダイオードが発光する色及びその配列は上記のものに限定される必要は無く、交通信号機の用途に応じて変更可能であることは言うまでもない。

各開口部９ａ，９ｂ，９ｃでは、個数の多い第１の直列回路１１の発光ダイオードが周縁部に配置され、個数の少ない第２の直列回路１２の発光ダイオードが略中央に配置されている。この場合、順方向電圧Ｖｆ２の低い第２の直列回路１２の発光ダイオードは不点灯期間が殆ど存在しない（特に実施形態１では交流電源ＡＣのゼロクロス付近でも整流素子４ｂを介して非常用電源３から第２の直列回路１２の発光ダイオードに対しては電流が流れることになるので不点灯期間が実質的に皆無である）ため、各開口部９ａ，９ｂ，９ｃの略中央の発光ダイオードは（交通信号の点灯期間中は図中の黒丸のように）ほぼ常時点灯するようになっている。したがって、例えばタクシー等に搭載されるドライブレコーダーのビデオカメラで事故の瞬間を撮影した場合に、各開口部９ａ，９ｂ，９ｃの略中央の発光ダイオードはほぼ常時点灯しているので、ビデオカメラの撮影間隔及びタイミングに依らず交通信号機の状態を認識することができる。

また、各開口部９ａ，９ｂ，９ｃの略中央の発光ダイオードは停電等の非常時においてもバックアップ用の電池３により点灯可能であるので、（交通信号の点灯期間中は図中の黒丸のように）点灯するようになっている。このように、直列接続数の少ない発光素子のみを非常時にも点灯させ得るものにすることで非常時に少なくとも交通信号機の全不点が起きないように安全策を講じることができる。これにより、大きな設備が不要であって且つ最低限の安全確保のできる簡易な交通信号システムを実現できる。

（実施形態４）
図５（イ）は、本発明による灯具の発光ダイオードの配置の例を示したもので、図１における第２の直列回路１２の発光ダイオードを灯具の略中央部に配置したものである。図中の黒丸が第２の直列回路１２の発光ダイオードであり、白丸は第１の直列回路１１の発光ダイオードである。

図５（ロ）は、異なる発光ダイオードの配置の例であり、図３のように非常時に点灯し得る第２の直列回路１２における発光ダイオードが複数個の場合に、これらを灯具の略中央部に配置したものである。図中の黒丸が第２の直列回路１２の発光ダイオードであり、白丸は第１の直列回路１１の発光ダイオードである。

図５（ハ）は、さらに異なる発光ダイオードの配置の例であり、図３のように非常時に点灯し得る第２の直列回路１２における発光ダイオードが複数個の場合に、これらを灯具の周縁部に配置したものである。図中の黒丸が第２の直列回路１２の発光ダイオードであり、白丸は第１の直列回路１１の発光ダイオードである。

本実施形態の配置は図４の交通信号機にも適用できるほか、一般の照明装置にも適用可能であることは言うまでも無い。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の発光装置を示す正面図である。 本発明の実施形態４の発光装置を示す正面図である。

符号の説明

１ 発光部
２ 点灯装置
３ 非常用電源（２次電池）
Ｌ 発光ダイオード（固体発光素子）
Ｒ 抵抗（限流要素）
１１ 第１の直列回路
１２ 第２の直列回路

Claims (5)

1. 限流要素と１つ以上の固体発光素子とを直列に接続した直列回路を複数個並列に接続して成る発光部と、交流電源に接続されて交流電圧を全波整流して前記発光部に駆動電圧を供給する点灯装置とを備えた発光装置であって、前記発光部は、少なくとも１つの前記直列回路の固体発光素子の不点灯期間が他の前記直列回路の固体発光素子の不点灯期間よりも短く、交流電源の遮断時には、不点灯期間の短い前記直列回路の固体発光素子を点灯させることのできる非常用電源を併設して成り、前記発光部は、少なくとも１つの前記直列回路の固体発光素子の個数が他の前記直列回路の固体発光素子の個数よりも少なく、前記発光部は、少なくとも１つの前記直列回路の固体発光素子の個数が１個であり、前記非常用電源は、不点灯期間の短い前記直列回路の固体発光素子による固有電圧より高く、不点灯期間の長い前記直列回路の固体発光素子による固有電圧より低い電圧に設定して成ることを特徴とする発光装置。
2. 前記発光部と前記点灯装置とが少なくとも収納される灯具を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記灯具は、前記発光部を外側に臨ませるための開口部を有し、不点灯期間の短い前記直列回路の固体発光素子を前記開口部の略中央に配置したことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
4. 前記灯具は、前記発光部を外側に臨ませるための開口部を有し、不点灯期間の短い前記直列回路の固体発光素子を前記開口部の周縁に配置したことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
5. 前記発光部、前記点灯装置、前記非常用電源及び前記灯具は、交通信号機用であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の発光装置。

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