特許 7440196 ＬＥＤ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-19

(45)【発行日】2024-02-28

(54)【発明の名称】ＬＥＤ装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/00 20100101AFI20240220BHJP

   H01L 33/62 20100101ALI20240220BHJP

   H05B 45/52 20200101ALI20240220BHJP

   H05B 45/48 20200101ALI20240220BHJP

   H05B 45/54 20200101ALI20240220BHJP

【ＦＩ】

H01L33/00 J

H01L33/62

H05B45/52

H05B45/48

H05B45/54

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022064713

(22)【出願日】2022-04-08

(65)【公開番号】P2023155014

(43)【公開日】2023-10-20

【審査請求日】2022-09-29

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】315018554

【氏名又は名称】株式会社スリーエス

(74)【代理人】

【識別番号】110003018

【氏名又は名称】弁理士法人プロテクトスタンス

(72)【発明者】

【氏名】櫻木 邦善

(72)【発明者】

【氏名】島崎 宗久

(72)【発明者】

【氏名】相澤 裕豪

【審査官】右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２１０８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１６５１６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００４５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６９６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８７４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７２４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－３０５９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０９１３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５６３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０２１１１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５１３４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０３４６８０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０１０１８４３７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００ － ３３／６４

Ｈ０５Ｂ ３９／００ － ３９／１０

Ｈ０５Ｂ ４５／００ － ４５／５９

Ｈ０５Ｂ ４７／００ － ４７／２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ＬＥＤ素子と第２ＬＥＤ素子と第３ＬＥＤ素子とを直列接続した第１直列発光回路、及び前記第１直列発光回路に並列に配置され、第４ＬＥＤ素子と第５ＬＥＤ素子と第６ＬＥＤ素子とを直列接続した第２直列発光回路から構成される発光部と、
前記第１ＬＥＤ素子と前記第２ＬＥＤ素子との間と、前記第４ＬＥＤ素子と前記第５ＬＥＤ素子との間とに、接続された第１配線と、
前記第２ＬＥＤ素子と前記第３ＬＥＤ素子との間と、前記第５ＬＥＤ素子と前記第６ＬＥＤ素子との間とに、接続された第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線との間に配置された第１ツェナーダイオードと、
前記第１ＬＥＤ素子のアノード電極と前記第４ＬＥＤ素子のアノード電極とが接続されたプラス電源線と、
前記第３ＬＥＤ素子のカソード電極と前記第６ＬＥＤ素子のカソード電極とが接続されたマイナス電源線と、
前記プラス電源線と前記マイナス電源線との間に配置されたサージ保護素子と、
前記サージ保護素子と前記第１直列発光回路との間の、前記マイナス電源線に配置された逆電流防止用ダイオードと、を備え、
前記第１ＬＥＤ素子、前記第２ＬＥＤ素子、前記第３ＬＥＤ素子、前記第４ＬＥＤ素子、前記第５ＬＥＤ素子及び前記第６ＬＥＤ素子、前記第１ツェナーダイオード、前記サージ保護素子並びに前記逆電流防止用ダイオードは、回路基板に載置されフッ素コーティングされており、
前記回路基板は、複数の光学ユニットの下方に配置される、ＬＥＤ装置。

【請求項2】

前記サージ保護素子と前記第１直列発光回路との間の、前記マイナス電源線に配置された逆電流防止用ダイオードを備える、請求項１に記載のＬＥＤ装置。

【請求項3】

前記プラス電源線と前記第１配線との間に配置された第２ツェナーダイオードと、
前記マイナス電源線と前記第２配線との間に配置された第３ツェナーダイオードと、
を備える請求項１に記載のＬＥＤ装置。

【請求項4】

前記第１ＬＥＤ素子、前記第２ＬＥＤ素子、前記第３ＬＥＤ素子、前記第４ＬＥＤ素子、前記第５ＬＥＤ素子及び前記第６ＬＥＤ素子は、同一の定電流回路から出力される定電流により発光する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＬＥＤ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直列及び並列に接続された複数のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子と、複数のＬＥＤ素子に電気的に接続されたツェナーダイオードとを備えるＬＥＤ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＬＥＤ装置は、表示装置のバックライト及び照明機器等に広く用いられるようになってきている。球技場、スキー場又はゴルフ場などでは、広範囲を照明するために複数のＬＥＤがマトリクス状に配置されることが多い。例えば、特許文献１及び特許文献２では、直列に配置されたＬＥＤ素子を複数並列に配置したマトリクス状のＬＥＤ装置を開示している。

【0003】

一般にＬＥＤ素子は、サージ電圧、静電気放電等のノイズによって故障を起こしやすい。すなわち、ＬＥＤ素子は逆耐圧が小さいという性質がある。その対策としてＬＥＤ素子に並列にツェナーダイオードを配した技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－５１８５号公報

【文献】特開２０１５－１９０９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、複数のＬＥＤ素子の１つのＬＥＤ素子が故障すると、直列に配置された複数のＬＥＤ素子が発光しなくなったりして、ＬＥＤ装置として役に立たなくなることがある。また、複数のＬＥＤ素子の１つのＬＥＤ素子が故障しても、直列接続された複数のＬＥＤ素子が発光するためには、すべてのＬＥＤ素子に対してツェナーダイオードを並列接続しなければならない。それでは、ツェナーダイオードを配置するＬＥＤ素子の基板サイズの大型化や、ツェナーダイオードの実装工程の追加などの問題がある。

【0006】

そこで本発明は、上記課題を解決するため、ＬＥＤ素子の基板サイズの大型化を防ぐとともに、複数のＬＥＤ素子の１つのＬＥＤ素子が故障しても他のＬＥＤ素子が発光し続けるＬＥＤ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本実施形態のＬＥＤ装置は、第１ＬＥＤ素子と第２ＬＥＤ素子と第３ＬＥＤ素子とを直列接続した第１直列発光回路、及び第１直列発光回路に並列に配置され、第４ＬＥＤ素子と第５ＬＥＤ素子と第６ＬＥＤ素子とを直列接続した第２直列発光回路から構成される発光部を有する。またＬＥＤ装置は、第１ＬＥＤ素子と第２ＬＥＤ素子との間と第４ＬＥＤ素子と第５ＬＥＤ素子との間とに接続された第１配線と、第２ＬＥＤ素子と第３ＬＥＤ素子との間と第５ＬＥＤ素子と第６ＬＥＤ素子との間とに接続された第２配線と、第１配線と第２配線との間に配置された第１ツェナーダイオードと、を備える。

【0008】

本実施形態のＬＥＤ装置は、さらに第１ＬＥＤ素子のアノード電極と第４ＬＥＤ素子のアノード電極とが接続されたプラス電源線と、第３ＬＥＤ素子のカソード電極と第６ＬＥＤ素子のカソード電極とが接続されたマイナス電源線と、プラス電源線とマイナス電極線との間に配置されたサージ保護素子と、を備えることが好ましい。
また、サージ保護素子と第１直列発光回路との間の、マイナス電極線に逆電流防止用ダイオードが配置されることが好ましい。
さらに、プラス電源線と第１配線との間に配置された第２ツェナーダイオードと、マイナス電源線と第２配線との間に配置された第３ツェナーダイオードと、を備えることが好ましい。

【0009】

本実施形態のＬＥＤ装置は、第１ＬＥＤ素子、第２ＬＥＤ素子、第３ＬＥＤ素子、第４ＬＥＤ素子、第５ＬＥＤ素子及び第６ＬＥＤ素子並びに第１ツェナーダイオードは、回路基板に載置され、回路基板はフッ素コーティングされていることが好ましい。
その回路基板には、第１ＬＥＤ素子のアノード電極と第４ＬＥＤ素子のアノード電極とが接続されたプラス電源線と、第３ＬＥＤ素子のカソード電極と第６ＬＥＤ素子のカソード電極とが接続されたマイナス電源線と、プラス電源線とマイナス電極線との間に配置されたサージ保護素子と、サージ保護素子と第１直列発光回路との間の、マイナス電極線に配置された逆電流防止用ダイオードと、を備えてもよい。そして回路基板は、複数の光学ユニットの下方に配置されることが好ましい。
本実施形態のＬＥＤ装置は、第１ＬＥＤ素子、第２ＬＥＤ素子、第３ＬＥＤ素子、第４ＬＥＤ素子、第５ＬＥＤ素子及び第６ＬＥＤ素子は、同一の定電流回路から出力される定電流により発光することが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明のＬＥＤ装置は、小型化が容易にできるととともに、複数のＬＥＤ素子の１つのＬＥＤ素子が故障しても直列接続された複数のＬＥＤ素子が発光することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】ＬＥＤ装置の正面側の斜視図である。

【図2】ＬＥＤ装置の部分断面図である。

【図3】マトリクス状に配置されたＬＥＤ素子を有する発光回路を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実施形態に係るＬＥＤ装置について説明する。以下の実施形態において、本装置は、陸上競技場、球技場、サッカー場もしくはゴルフ場といった大型競技施設で用いられる高出力タイプの装置として説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあり、大きさ、角度又は厚み等は誇張して描いている。また説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。

【0013】

＜ＬＥＤ装置の概略＞
図１に示すように、ＬＥＤ装置１は、ＬＥＤ素子を複数配置した基板を内蔵した放熱板１２と、基板の出射側に配置された複数の光学ユニット２（２－１１から２－６７）と、これら光学ユニット２の出射側に配置され、放熱板１２を保護する保護ガード１３と、を備える。保護ガード１３は、ＬＥＤ素子が出射した光を出射することで、この出射面が装置１の発光面となる。

【0014】

図１中の左上から右上にかけて、光学ユニット２－１１から２－１６がＬＥＤ装置１に配置される。その一段下側（－Ｙ軸側）には光学ユニット２－２１から２－２６がＬＥＤ装置１に配置される。一番下側には光学ユニット２－７１から２－７６がＬＥＤ装置１に配置される。１つの光学ユニット２には例えば４つのＬＥＤ素子８（図２を参照）が配置される。つまり、ＬＥＤ装置１は１６８個のＬＥＤ素子８を備えている。これら光学ユニット２はすべて同じ仕様であってもよいし、異なる仕様であってもよい。

【0015】

なお、ＬＥＤ装置１は正面側（＋Ｚ軸側）から見ると、正方形状であるが長方形状であっても円形状であってもよい。光学ユニット２は、ＬＥＤ装置１の放熱板１２の形状に合わせて適宜配置される。図１では光学ユニット２が７×６のマトリクス状に配置されているが、これに限らず、１０×１０、３×２０等のマトリクス状に配置されてもよい。以下の説明では、ＬＥＤ装置１が１６８個のＬＥＤ素子８を備えていることを前提に説明する。

【0016】

図２は、ＬＥＤ装置１の部分断面図であり、光学ユニット２－４１及び２－５１の断面図である。ＬＥＤ装置１は、ＬＥＤ素子８、ＬＥＤ素子８を載せた回路基板６、放熱板１２、保護ガード１３等から構成されている。ＬＥＤ素子８からの光の光軸Ｌは、Ｚ軸方向と平行である。

【0017】

放熱板１２は、アルミダイカスト等の金属製で、正方形もしくは円形の深皿状であり、正面側（＋Ｚ軸側）に内側表面１２ｃを有している。そして、放熱板１２は、背面側（－Ｚ軸側）には複数のヒートシンク１２ｈを有している。ヒートシンク１２ｈは、回路基板６を介してＬＥＤ素子８の発光に伴って生じた熱もしくはダイオードの熱を外部に放熱する。

【0018】

また、放熱板１２は、その内側表面１２ｃに密着するように回路基板６が設けられている。回路基板６には、複数のＬＥＤ素子８が半田付けされており、回路基板６を介してＬＥＤ素子８に電源が供給され、複数のＬＥＤ素子８が点灯する構成になっている。また図示されていないが、後述するダイオードもしくはツェナーダイオード等も回路基板６に取り付けられている。複数のＬＥＤ素子８及びツェナーダイオードが配置された回路基板６の正面側（＋Ｚ軸側）６ｃは、フッ素樹脂でフッ素コーティングされている。これにより回路基板６は、風雨による湿気から保護され、ＬＥＤ素子８及びツェナーダイオード等の電子部品の腐食損傷を防止している。

【0019】

また、回路基板６の上側（＋Ｚ軸側）には、後述する複数の光学ユニット２が配置される。図２では、同じ仕様の光学ユニット２－４１及び２－５１が内側表面１２ｃに嵌め込まれるように配置されている。そして、複数の光学ユニット２の上側（＋Ｚ軸側）には、保護ガード１３が配置される。保護ガード１３は、ＬＥＤ素子８からの出射光を出射するため、透明ガラス又は透明プラスチック（ポリカーボネートもしくはアクリル（ＰＭＭＡ）等）で形成されており、ＬＥＤ装置１の内部の保護・防水を行っている。

【0020】

＜発光回路の概略＞
次に図３を使って発光回路を説明する。発光回路は、整流部３０と、定電流部４０とＬＥＤ発光部５０とからなる。発光回路は、図１に示された１６８個のＬＥＤ素子８を発光させる。

【0021】

整流部３０はブリッジダイオードＢＤ及び抵抗Ｒを有している。整流部３０は電源ラインＰＬに供給される１００Ｖの交流電圧を直流電圧に整流する。定電流部４０は、定電流ダイオードＣＤ及びツェナーダイオードＣＺをそれぞれ並列に接続した構成である。定電流ダイオードＣＤへ過渡的に印加されるサージ電圧をツェナーダイオードＣＺ及び定電流ダイオードＣＤの直列回路により、ＬＥＤ発光部５０へ流れる電流を所定の定電流以下に規制する。定電流ダイオードＣＤは、ＬＥＤ発光部５０において要求される明るさに応じて定電流値を選択され、選択された定電流値に応じて最高電圧を選択されている。

【0022】

定電流ダイオードＣＤは、順方向に電圧を印加される半導体素子であるため、ＬＥＤ素子８と同様にサージ電圧に弱い性質があり、最大電圧を超えるサージ電圧が印加されると、正常な半導体機能が損なわれることがある。また、３個の定電流ダイオードＣＤは、それぞれツェナーダイオードＣＺをそれぞれ並列に接続して、定電流ダイオードＣＤへ過渡的に印加されるサージ電圧をツェナーダイオードＣＺへバイパスしている。それぞれのツェナーダイオードＣＺは、サージ電圧をバイパスさせることにより、ブリッジダイオードＢＤで整流された電圧が、３個の定電流ダイオードＣＤのうちの１個に集中しないようにしている。許容消費電力もしくは耐圧等に応じて、定電流ダイオードＣＤが１個、ツェナーダイオードＣＺが１個のみで対応することが可能である。

【0023】

ＬＥＤ発光部５０は、図１に示された複数の光学ユニット２に対応して設けられた１６８個のＬＥＤ素子８が、１４×１２のマトリクス状に配置されている。配線Ｃ１から配線Ｃ１２には、それぞれ直列に１４個のＬＥＤ素子８が接続されている。本実施形態では１つの配線ＣにＬＥＤ素子８が接続された回路を直列発光回路と呼ぶことがある。配線Ｖ＋側に、各ＬＥＤ素子８のアノード電極が、配線Ｖ－側に各ＬＥＤ素子８のカソード電極が接続される。配線Ｃ１及びＣ２のＶ＋側に接続される４個のＬＥＤ素子８は、光学ユニット２－１１に対応するＬＥＤ素子であり、Ｖ－側に接続される４個のＬＥＤ素子８は、光学ユニット２－７１に対応するＬＥＤ素子である。また配線Ｃ１１及びＣ１２のＶ＋側に接続される４個のＬＥＤ素子８は、光学ユニット２－１６に対応するＬＥＤ素子であり、Ｖ－側に接続される４個のＬＥＤ素子８は、光学ユニット２－７６に対応するＬＥＤ素子である。

【0024】

配線Ｃ１から配線Ｃ１２に直列に接続された１４個のＬＥＤ素子８にそれぞれ、配線Ｌ１からＬ１３が接続されている。そして配線Ｃ１３には、 配線Ｃ１から配線Ｃ１２に並列するツェナーダイオード７が接続されている。ＬＥＤ素子８の順電流増加に応じて順電圧も増加するという特性を利用し、各配線Ｃ１、Ｃ２、……Ｃ１２ごとに接続されている１２個のＬＥＤ素子８に対してそれぞれツェナーダイオード７が並列接続されている。例えば、配線Ｃ１と配線Ｌ１及び配線Ｌ２と接続されるＬＥＤ素子８は、並列にツェナーダイオード７が接続されている。配線Ｃ２と配線Ｌ１及び配線Ｌ２と接続されるＬＥＤ素子８も、同様である。

【0025】

なお、ツェナーダイオード７は、ＬＥＤ素子８のアノード電極側にツェナーダイオード７のカソード電極側を接続し、ＬＥＤ素子８のカソード電極側にツェナーダイオード７のアノード電極側が接続されている。また、ツェナーダイオード７のツェナー電圧は、ＬＥＤ素子８の設計上の最大許容電流時の順電圧と同じ値、もしくは所定量だけ小さい値とすることが好ましい。

【0026】

マトリクス状に配置された１６８個のＬＥＤ素子８のうち、配線Ｃ２上の１つのＬＥＤ素子８が断線故障した場合であっても、その故障したＬＥＤ素子８の後段の正常なＬＥＤ素子８に、配線Ｃ１又は配線Ｃ３からの接続経路で電流が供給されるので、後段の正常なＬＥＤ素子８は発光する。このため、故障したＬＥＤ素子８のみが発光せず、他のＬＥＤ素子８は発光するので、ＬＥＤ装置１の輝度低下は微小である。

【0027】

また、各行ごとにツェナーダイオード２が並列接続されているので、例えば、１つのＬＥＤ素子８が断線故障して他の正常なＬＥＤ素子８に流れる電流が、ＬＥＤ素子８の最大許容電流を超えるときには、その最大許容電流を超える電流がツェナーダイオード２に流れるようになり、これにより、残った正常なＬＥＤ素子８に流れる電流値を最大許容電流値以内に維持することができ、正常なＬＥＤ素子８が保護される。

【0028】

また、ＬＥＤ発光部５０はサージ保護素子としてツェナーダイオードＴＶＳを有しており、ツェナーダイオードＴＶＳのカソード電極が配線Ｖ＋（プラス電源線）にアノード電極が配線Ｖ－（マイナス電源線）に接続されている。ツェナーダイオードＴＶＳは、静電気放電（ＥＳＤ：Electro-Static Discharge）対策用であり、定電流部４０が存在していても、サージ電流が生じてしまう場合を想定し、ＥＳＤ対策用のツェナーダイオードＴＶＳが接続されて、ＬＥＤ素子８へ過渡的に印加されるサージ電流をツェナーダイオードＴＶＳへバイパスさせて、１６８個のＬＥＤ素子８を保護している。

【0029】

また、ＬＥＤ発光部５０は逆電流防止用のダイオードＢＰ１及びＢＰ２を有している。ダイオードＢＰ１及びＢＰ２は、ツェナーダイオードＴＶＳと配線Ｃ１との間で配線Ｖ－に接続されている。ダイオードＢＰ１及びＢＰ２は、電源ラインＰＬに高周波ノイズが入力された場合等に生じる逆電流が、マトリクス状に配置されたＬＥＤ素子８に入力されることを防止する。本実施形態ではダイオードＢＰ１及びＢＰ２が並列に２つ配置されているが、並列に３つ以上配置されてもよく、ダイオードＢＰ１のみが配置されてもよい。

【符号の説明】

【0030】

１ … ＬＥＤ装置
２（２－１１～２－７６） … 光学ユニット
６ … 回路基板
７ … ツェナーダイオード、 ８ … ＬＥＤ素子
１２ … 放熱板、 １３ … 保護ガード
３０ … 整流部、 ４０ … 定電流部、 ５０ … ＬＥＤ発光部
Ｃ１―Ｃ１３ …配線、 Ｌ１―Ｌ１３ … 配線
Ｖ＋ … プラス電源線、 Ｖ－ … マイナス電源線
ＴＶＳ … サージ保護素子（ツェナーダイオード）
ＢＰ１、ＢＰ２ … ダイオード

【図1】

【図2】

【図3】