ＬＥＤマトリックス照明装置

トップ :: F 機械工学照明加熱武器爆破 :: F21 照明

【発明の名称】	ＬＥＤマトリックス照明装置
【発明者】	【氏名】市山義和
【要約】	【課題】本発明の目的は，個々のＬＥＤはそれぞれ最適の条件で点灯駆動し，且つ障害ＬＥＤ発生時には消灯するＬＥＤ数を最小限として照明機能を残存させるＬＥＤマトリックス照明装置を実現提供することである。【解決手段】本発明によるＬＥＤマトリックス照明装置は，複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を一以上並列に接続し，異なったＬＥＤ列に於いてほぼ同電位となるＬＥＤ端子を抵抗で相互に接続、或いはまた、ほぼ同電位のＬＥＤ端子をそれぞれ抵抗を介して前記ほぼ同電位となるＬＥＤ端子群毎に対応する共通導体に接続して構成する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を一以上並列に接続して点灯させるＬＥＤマトリックス照明装置において，各ＬＥＤ列の終端から同一個数離れたほぼ同電位のＬＥＤ端子を抵抗を介して相互に接続したことを特徴とするＬＥＤマトリックス照明装置【請求項２】請求項１記載のＬＥＤマトリックス照明装置に於いて，各ＬＥＤ列の終端から同一個数離れたほぼ同電位のＬＥＤ端子をそれぞれ抵抗を介して前記ほぼ同電位となるＬＥＤ端子群毎に対応する共通導体に接続したことを特徴とするＬＥＤマトリックス照明装置【請求項３】請求項２記載のＬＥＤマトリックス照明装置に於いて，各ＬＥＤ列の終端から同一個数離れたほぼ同電位のＬＥＤ端子を相互に接続する抵抗及び共通導体部分は，導体表面を抵抗性材料で被覆して構成した抵抗被覆導体とすることを特徴とするＬＥＤマトリックス照明装置【請求項４】請求項２或いは請求項３記載のＬＥＤマトリックス照明装置に於いて，絶縁基板上に構成されたストライプ状導体パターン列上に薄膜抵抗体層を形成し，前記ストライプ状導体パターンを各段の共通導体としてほぼ同電位となるＬＥＤ端子間の接続を前記ストライプ状導体パターン上の抵抗体層上で行うことを特徴とするＬＥＤマトリックス照明装置

【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は，ＬＥＤを使用した照明装置に拘わり，特にＬＥＤの障害発生時に照明機能を最大限に残存させる信頼性の高いＬＥＤマトリックス照明装置に拘わる。
【０００２】
【従来の技術】寿命，或いはエネルギー効率を主な理由として従来の白熱灯，蛍光灯による照明からＬＥＤ（発光ダイオード）による照明へと変わろうとしている。ＬＥＤによる照明装置では多数のＬＥＤを同時点灯をしなければ必要な明るさを得られないが，ＬＥＤの順方向電圧は３ボルト前後と低いので電源装置での損失を考えると多数のＬＥＤを直列に接続して比較的高い電圧を加えこれを並列に点灯するマトリックス配置のＬＥＤとする必要がある。
【０００３】しかしながら，個々のＬＥＤの信頼性は高くても何れは劣化するものであり，ましてや多数のＬＥＤを同時点灯する照明装置では不具合のＬＥＤが確率的に出現するのは避けられない。ＬＥＤ障害で最も多いのは断線して消灯するオープン障害であるが，直列にＬＥＤを接続する構造ではその列の全てのＬＥＤが消灯して照明装置の信頼性に疑問を残す構造である。
【０００４】この点で改善を図る為に特開１０－０２７２９８は，マトリックス状に配置したＬＥＤのほぼ同電位となる端子同士を相互に接続することを提案した。この提案によれば一つのＬＥＤにオープン障害が発生してもそのＬＥＤが属する同じ列のＬＥＤには隣接するＬＥＤ端子から電流が供給されるためにオープン障害ＬＥＤの有るＬＥＤ列全てが消灯するわけでは無く，障害ＬＥＤ自身の消灯のみに留まる。ただ，ＬＥＤはオープン障害が圧倒的に多いが，短絡障害も存在するのでその場合には障害ＬＥＤと同じ段にある他の列のＬＥＤが全て消灯する事になる。特開１０－０２７２９８では短絡障害での影響を最小限に留める為にＬＥＤ端子同士を相互に接続するＬＥＤ列の数を制限したブロック構成まで提案していた。
【０００５】しかしながら，ＬＥＤは順方向電圧，順方向電流を初めとする素子間の性能ばらつきは無視し得ないものであって，特開１０－０２７２９８のようにＬＥＤ端子を相互に接続してＬＥＤ端子を強制的に同電位とする構造ではむしろ障害発生を加速する懸念がある。すなわち，並列に接続させられた特定のＬＥＤに電流が集中し，連鎖的に障害を発生させる可能性がある。また各段で並列接続とされたＬＥＤ群でそれぞれのＬＥＤに流れる電流が異なるために明るさのばらつきが大となる結果ともなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の目的は，個々のＬＥＤはそれぞれ最適の条件で点灯駆動し，且つ障害ＬＥＤ発生時には消灯するＬＥＤ数を最小限として照明機能を残存させるＬＥＤマトリックス照明装置を実現提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によるＬＥＤマトリックス照明装置は，複数個のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を一以上並列に接続し，異なったＬＥＤ列に於いてほぼ同電位となるＬＥＤ端子を抵抗で相互に接続して構成する。
【０００８】
【作用】本発明によるＬＥＤマトリックス照明装置によれば，ほぼ同電位となるＬＥＤ端子同士を抵抗で接続して構成するので一つのＬＥＤがオープン障害を生じても電流は抵抗を通じて他の列のＬＥＤに流れ，障害ＬＥＤの有る列全てのＬＥＤが消灯することは無い。また，短絡障害となるＬＥＤが現れても抵抗を通じて電流が流れ，電位差を生じるのでそれと並列するＬＥＤ全てが消灯することは避けられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下に本発明によるＬＥＤマトリックス照明装置について，その実施例及び原理作用等を図面を参照しながら説明する。
【００１０】図７は，従来のＬＥＤマトリックス照明装置の結線構成例を示す。同図にはＬＥＤを直列に接続したＬＥＤ列を電源１１に並列に接続した例を示すが，各ＬＥＤ列に定電流を供給するための定電流源或いは抵抗を直列に接続することもある。番号１３，１４，１５，１６，１７はＬＥＤを示し，番号１２，１９はそれぞれ電源１１の一方の配線を示す。同図に於いて直列構成の中のＬＥＤが一つでも断線するとその列のＬＥＤには電流が供給されないので消灯することになる。また，ＬＥＤの一つが短絡障害を起こすと，そのＬＥＤ端子間の電位差はゼロになるのでそのＬＥＤ列の他のＬＥＤに印可される電圧が高くなり，発熱を大にしてＬＥＤの劣化速度を速める原因ともなる。
【００１１】このように従来のＬＥＤマトリックス照明装置は個々のＬＥＤに起こりうる障害発生に対して照明機能の低下，或いは寿命の減少等信頼性において課題の残る構造であった。
【００１２】図１は本発明の実施例であるＬＥＤマトリックス照明装置の結線構成を示す。同図において，一方の電源配線１２から同数のＬＥＤを経たＬＥＤ端子同士はほぼ同電位であり，これら隣接し且つ異なるＬＥＤ列のＬＥＤ端子同士を抵抗で接続する。例えばＬＥＤ１３，１５間，ＬＥＤ１４，１６間はほぼ同電位であるが，これらのＬＥＤ端子同士を抵抗１８で相互に接続して構成する。
【００１３】このように配線構成したＬＥＤマトリックス照明装置に於いては，一つのＬＥＤがオープン障害を生じても隣接するＬＥＤ列等から抵抗を通じてオープン障害を生じたＬＥＤの属する他のＬＥＤに電流が流れ込み，或いは流れ出してそのＬＥＤ列全体の消灯は避けられる。さらに一つのＬＥＤが短絡障害を起こしてそのＬＥＤ端子間に電位差が無くなっても短絡ＬＥＤに流れ込む或いは流れ出す電流は抵抗により電位降下を生じるので同じ段にある他のＬＥＤ列の両端の電位差をゼロにすることは無い。
【００１４】この実施例において，抵抗１８をそれぞれのＬＥＤ端に接続するのは手数がかかり，コストアップの原因にもなるが，ＬＥＤを配置する絶縁基板の上層に抵抗体層を構成し，ＬＥＤ列とは直交する方向に切断したストライプ状のパターンとして構成してＬＥＤ端子間の抵抗とすればコストアップは避けられる。また，ＬＥＤ列方向のＬＥＤ端子間距離がそれと直交する隣接ＬＥＤ端子間距離より著しく大であるなら前記抵抗体層はストライプ状とせず，一様な抵抗体層としても構成できる。
【００１５】図２は本発明の実施例であるＬＥＤマトリックス照明装置の結線構成を示す。同図において，一方の電源配線１２から同数のＬＥＤを経たＬＥＤ端子それぞれから抵抗を介して各段毎の共通導体に接続して構成する。例えば，ＬＥＤ１３，１５間，ＬＥＤ１４，１６間はほぼ同電位であるが，これらのＬＥＤ端子からそれぞれ抵抗２１を介して共通導体２２に接続する。
【００１６】本実施例の動作原理は図１に示す実施例とほぼ同じ趣旨であるが，隣接するＬＥＤ端子同士を抵抗で接続する代わりに共通導体にそれぞれ抵抗で接続した点が異なっている。図１に示す実施例では障害を生じたＬＥＤ周辺への電流供給或いは流出が隣接するＬＥＤ列のＬＥＤに大きな負担をかけたのに対し，本実施例ではこれを周辺の全てのＬＥＤに均等に負担させることが大きく異なる。一つのＬＥＤ障害をトリガーとして連鎖的なＬＥＤ障害発生を有効に防止できる。
【００１７】図３は図２に示す実施例の動作説明のための図で一つのＬＥＤがオープン障害を起こした時に各ＬＥＤ端子の電位がどのように変化するかを模式的に示してある。同図において，縦軸３１は電位を，横軸３２はＬＥＤ列の配置方向を示している。すなわち，番号４０，４１，４２，４３はＬＥＤ３３，３４，３５の端子を示し，その縦軸方向の位置は電位を，横軸方向の位置はＬＥＤ列の位置を示す。点線３６，３７，３８，３９はそれぞれほぼ同電位となるＬＥＤ端子群に対応する共通導体を示し，縦軸方向の位置はその電位を示している。
【００１８】同図に於いて，番号３４で示すＬＥＤがオープン障害を起こした場合，そのＬＥＤ３４には電流が流れないのでＬＥＤ３３を流れた電流は端子４１から共通導体３７に向かって抵抗（図示せず）を介して流れて端子４１の電位は上昇し，ＬＥＤ３５への電流は端子４２に共通導体３８から抵抗を介して流れ込むので端子４２の電位は低下する。ＬＥＤ３３，３５の他の端子４０，４３の電位にも影響は残り図に示すよう変化する。ただ，障害を起こしたＬＥＤ３４より離れるに従い影響は軽微となる。また，ＬＥＤ３４がオープンとなった結果として隣接する他のＬＥＤ列に属するＬＥＤに流れる電流への影響は分散して変化は小さいのでそれら端子電位の変化も小さく図には示していない。
【００１９】ＬＥＤの順方向電圧は平均的に３．３ボルト，電流は２０ミリアンペア，各ＬＥＤ端子は２５オームの抵抗で各共通導体に接続されているとすれば，ＬＥＤ３４の端子４１，４２とそれぞれの共通導体３７，３８との間の電位差は０．５ボルトとなり，ＬＥＤ３４の上下のＬＥＤ３３，３５に加わる電圧は減少する。したがってＬＥＤ３３，３５を流れる電流は少なくなり端子４０，４３とそれぞれ抵抗で接続される共通導体３６，３９との間で電流が流れ調整される。並列に接続されるＬＥＤ列が全体で２０で有ったとすれば他のＬＥＤ列の同じ位置にあるＬＥＤにはそれぞれ約１ミリアンペア程度が均等に分散されるとしてＬＥＤ端の電位差の変化は０．０２５ボルト程度に留まる。障害ＬＥＤ３４に抵抗を介して接続される共通導体３７，３８の電位も変化するが微小であるので図面では表示していない。
【００２０】図４は図２に示す実施例の動作説明のための図で一つのＬＥＤが短絡障害を起こした時に各ＬＥＤ端子の電位がどのように変化するかを模式的に示してある。簡単のために図３と全く同じ番号を各構成要素に使用してある。ＬＥＤ３４が短絡障害を起こしたと考えると，短絡障害を起こしたＬＥＤの両方の端子は同電位となるので端子４１，４２の位置は縦軸上ではほぼ同じ位置に示してある。端子４１の電位は本来の電位より下がり，端子４２の電位は本来の電位より上がっている。短絡障害を起こしたＬＥＤと同じＬＥＤ列内の他のＬＥＤ３３，３５等には当然に初期設定より大きな電圧が加わることになる。ＬＥＤ３４の端子４１には抵抗を介して共通導体３７から電流が流れ込み，さらに端子４０でも共通導体３６から抵抗を介して電流が流れ込む。端子４１，４２とそれぞれの共通導体との間の抵抗が２５オームとすると，６６ミリアンペア流れれば本来ＬＥＤ３４で生じていた電位降下分は補償できる。実際にはさらに周辺の抵抗，ＬＥＤに電流は分散したりするので上記値はゼロ次近似的な目安である。
【００２１】上下のＬＥＤ３３，３５は印可電圧が高くなった分に比例して電流が増え，端子４０には共通導体３６から抵抗を介して電流が流れ込み，端子４３からは抵抗を介して共通導体３９に電流が流れ出す。端子４１，４２間に比較的大きな電流が流れるのでＬＥＤ３４と同段にある他のＬＥＤの電流がその分減少し，明るさを減ずる事になるが，２０本のＬＥＤ列が並列に接続されている場合を考えると６６ミリアンペアが均一に分散されるとすれば各ＬＥＤへの影響は３ミリアンペア強程度となる。
【００２２】図３，図４を用いて図２に示す実施例でのオープン障害，短絡障害が生じた場合の動作を確認したが，ＬＥＤ端子と共通導体とを結ぶ抵抗はオープン障害或いは短絡障害でその最適な値は異なる。すなわちオープン障害に対しては小さい抵抗が，短絡障害に対しては大きい抵抗が周囲のＬＥＤへの影響を少なくできる。ＬＥＤの各故障モードの頻度と周囲ＬＥＤへの影響を勘案してＬＥＤ端子と共通導体間の抵抗値は設定する。
【００２３】図３，図４では障害発生時に本発明によるＬＥＤマトリックス照明装置は照明機能を最大限残存させ得る事を示した。ＬＥＤは個々にばらつきが多いので単純な直列接続或いは並列接続では特定のＬＥＤに電流を集中させ，或いは過電圧を印可させる等負担をかけて寿命を減じる可能性もある。また，一つのＬＥＤに障害が発生したことを契機に周辺のＬＥＤに負担を課して障害連鎖を生じさせる可能性もある。上記構成による本発明のＬＥＤマトリックス照明装置は，障害ＬＥＤによる電流集中，或いは印可電圧と電流のバランス等を隣接ＬＥＤに分散させることにより解決したが，障害発生までに至らなくても個々のＬＥＤばらつきによる電流或いは電圧不均衡を周辺のＬＥＤに均等に分散させて吸収させることが出来る。これはまた各ＬＥＤの長寿命化に繋がる。
【００２４】図２の実施例で示すＬＥＤマトリックス照明装置は上記説明のように長寿命且つ高信頼性の照明装置を実現できるが，各ＬＥＤ端子にそれぞれ抵抗を接続するのはいかにも手数を要し，したがってコストアップ要因となる。図５はこの点を解決する為の手段を示す。
【００２５】図５は図２に示す実施例において，異なるＬＥＤ端子間を接続する手段として導体表面に抵抗体層を形成した抵抗被覆導体の実施例を示す。図５（ａ）は絶縁基板５２上に形成した抵抗被覆導体５１の構造を示す。絶縁基板５２上にメッキ，エッチング等の薄膜形成技術で形成した導体パターン５３を各共通導体とし，その上にカーボン或いは錫とアンチモンの酸化物よりなる酸化物被膜，或いはタンタル、ニッケル、クロームなどの金属を真空蒸着して抵抗体層５４を形成する。図２に示したＬＥＤの端子はそれぞれ抵抗体層５４の上に接続する。
【００２６】抵抗体層５４は数ミクロンメートルから数十ミクロンメートル程度の薄さで所定の抵抗を得るよう構成すれば，ＬＥＤで発生する熱を共通導体を通じて放散することも出来る。図５（ｂ）は導線５６の表面に抵抗体層５７を構成した抵抗被覆導体５５の構造を示す。導線５６の表面に高温で錫とアンチモンの酸化物溶剤を吹き付け，熱処理をして構成する。抵抗体層５７そのものは酸化物金属皮膜抵抗として公知の技術であるので説明は省略する。
【００２７】図６は，絶縁基板上に前記抵抗被覆導体を形成してＬＥＤを実装するＬＥＤマトリックス照明装置の実施例を示す。同図はＬＥＤマトリックス照明装置の一部を示し，絶縁基板６３上に番号６１，６２で示すようにＬＥＤはマトリックス状に配置されている。点線６７はＬＥＤが直列に接続される方向を示し，点線６７に平行にＬＥＤ列が形成され，電源（図示せず）に並列接続される。
【００２８】点線の円７０で示す一部を拡大してして見えるように絶縁基板６３上にはメッキ，エッチング等の薄膜形成技術を用いてストライプ状の共通導体パターン６４を形成し，その上にニッケル，クローム等の金属を蒸着によって形成して一様な抵抗体層６５を作る。さらにその上にＬＥＤの端子間を直列に接続するための接続導体パターン６６を形成し，ＬＥＤを半田で接続して図６に示すＬＥＤマトリックスを形成する。
【００２９】番号６８，６９で示す点線はＬＥＤ６１，６２の裏面に形成されている片方の端子位置を示し，接続導体パターン６６は同一ＬＥＤ列内の異なったＬＥＤ端子間を接続して点線６７の方向にＬＥＤ列を形成させるよう配置される。共通導体パターン６４は点線６８，６９の方向のストライプ形状とし，抵抗体層６５を挟んで各接続導体パターン６６と対向部分を有してＬＥＤ端子同士を抵抗体層６５と共通導体パターン６４とで電気的に結ぶ。
【００３０】抵抗体層６５は共通導体パターン６４と同様なストライプ状のパターンを形成するべきであるが，抵抗体層６５の膜厚が数ミクロンメートル程度とし，ＬＥＤ端子間の距離が数ミリメートルであるとすれば一様な抵抗体層としても動作に支障は無い。
【００３１】以上，本発明について実施例を参照して説明したが，本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形等は可能である。例えば，図１，図２で示した実施例では各段のＬＥＤ端子に抵抗を接続してあるが，全ての段のＬＥＤ端子を抵抗で結ぶ必要はない。ただ，各段のＬＥＤ端子が抵抗で接続されていない場合，オープン障害を生じると１以上のＬＥＤが消灯することになる。期待する効果とコストとで決めることになる。
【００３２】
【発明の効果】以上，実施例を用いて説明したように本発明のＬＥＤマトリックス照明装置に依れば，直列接続された複数のＬＥＤ列が電源に並列に接続され，異なったＬＥＤ列間でほぼ同電位となるＬＥＤ端子同士を抵抗で結び，ＬＥＤ端子間の電圧，ＬＥＤに流れる電流等を平均化するよう作用させて特定のＬＥＤに過度の負担を強いることなく最適条件での駆動を可能とし，またＬＥＤのオープン或いは短絡障害時でも消灯するＬＥＤを障害ＬＥＤに限定させて照明機能を最大限に残存させる。一般の照明装置に加えて特に信頼性を要求する信号器あるいは車両用灯火等の応用に適する。

【出願人】	【識別番号】５９７０７３４５０【氏名又は名称】市山義和
【出願日】	平成１３年９月２１日（２００１．９．２１）
【代理人】
【公開番号】	特開２００３－１００１０９（Ｐ２００３－１００１０９Ａ）
【公開日】	平成１５年４月４日（２００３．４．４）
【出願番号】	特願２００１－２８８７３０（Ｐ２００１－２８８７３０）