(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した発光が得られ、平滑コンデンサは不必要、且つ、電圧電流制御にスイッチングレギュレータを排除可能であり、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、電圧電流制御素子における損失を相対的に低減できるＬＥＤを用いた照明装置を提供する。【解決手段】入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続回路構造を変更する回路構造変更制御回路を有し、逐次変化する印加電圧とＬＥＤ素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減するＬＥＤを用いた照明装置であって、予め変更される対象の接続回路構造パターンが設定され、且つ、予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構１を有し、接続機構に供給される制御信号入力に従い、ＬＥＤ発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続回路構造を変更する。【選択図】図１
2019046685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＬＥＤ発光素子と、これを駆動するＬＥＤ駆動回路を備え、
該ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤ接続構造を形成し、
該ＬＥＤ接続構造は、ＬＥＤ回路構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続回路構造を変更する構成を有し、
逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、
該ＬＥＤ接続回路構造の変更にあたり、予め回路変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、
且つ、該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構を有し、
該接続回路構造変更制御回路から該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続回路構造を変更することにより、スイッチ素子のオン抵抗に起因する損失発熱を低減し、電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化されることにより電源効率を改善したことを特徴とする、照明装置。
【請求項２】
該接続回路構造変更制御回路は、
制御信号入力に応答して該発光素子構造物の回路構造を動的に変更し制御することを特徴とする、
請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
該発光素子、該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構及び該接続回路構造変更制御回路は互いに近傍に形成され、
且つ該発光素子、該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構及び該接続回路構造変更制御回路は互いに基板上で多層に渡る導体により電気的に接続することが可能であり、電気的に接続をすることが可能な構造物により結合された基板は、半導体プロセスにより集積化されたことを特徴とする、
請求項１又は２記載の照明装置。
【請求項４】
該回路構造変更用制御回路は、
スイッチング素子により構成されることを特徴とする、
請求項１乃至３の何れか一に記載の照明装置。
【請求項５】
該スイッチング素子は、トランジスタであることを特徴とする、
請求項４記載の照明装置。
【請求項６】
該トランジスタは、
半導体構造により構成されるＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、又はバイポーラトランジスタ等の何れか一つであることを特徴とする、
請求項５記載の照明装置。
【請求項７】
該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構は、
サブストレート基板上に選択的に形成される半導体、金属、透明な伝導性物質を用い、
多層で電気的接続を構成されたことを特徴とする、
請求項１乃至６の何れか一に記載の照明装置。
【請求項８】
該ＬＥＤ接続構造は２の冪乗の数のＬＥＤ発光素子により構成され、
該ＬＥＤ接続回路構造内の回路構造変更制御は、発光素子全数より小さい２の冪乗の数の発光素子群によって構成される発光単位に分割され、
該発光素子の接続回路形態を変更する該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構及び該接続回路構造変更制御回路は、印加される制御信号入力に対応して、接続回路構造パターンを動的に変化させることを特徴とする、
請求項１乃至７の何れか一に記載の照明装置。
【請求項９】
該ＬＥＤ接続構造は同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造のＬＥＤ発光素子により構成され、
該ＬＥＤ接続回路構造内の回路構造変更制御は、発光素子全数より小さい同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造の発光素子群によって構成される発光単位に分割され、
該発光素子の接続回路形態を変更する該予め設定された接続回路構造パターンに対応する接続機構及び該接続回路構造変更制御回路は、印加される制御信号入力に対応して、接続回路構造パターンを動的に変化させることを特徴とする、
請求項１乃至７の何れか一に記載の照明装置。
【請求項１０】
該接続回路構造変更制御回路は、
逐次変化する交流電力電圧波形に対応して、正規化された基準電圧との比較を常時に行うことにより、マトリクス構造変更制御信号を最適な値に確定することを特徴とする、
請求項８又は９記載の照明装置。
【請求項１１】
該照明装置は、
夫々のＬＥＤ発光素子に印加される電圧において動的なＬＥＤ接続回路構造の変更に従い、あらかじめ設定された規定値に動的変更可能な一定電流制御回路を備えてなることを特徴とする、
請求項８乃至１０の何れか一に記載の照明装置。
【請求項１２】
該一定電流制御回路は、
印加される電圧にかかわらずフィードバック回路により動的に一定電流制御を行うことを特徴とする、
請求項１１記載の照明装置。
【請求項１３】
該一定電流制御回路は、
該ＬＥＤ接続構造の発光単位ごとに一定電流制御回路として配置されてなることを特徴とする、
請求項１１又は１２記載の照明装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１２の何れか一に記載の発光素子を用いた照明装置であって、
商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続回路構造に供給する電源部と、 入力される商用電源の波形に対する同期信号を生成する同期波形フィルタと、
該同期波形フィルタからの信号による動作ステートを決定する動作ステート比較検出器と、
該ＬＥＤマトリクスアレーの接続回路構造を任意且つ又は最適な状態へ動的に変更する該回路構造変更用スイッチ素子と構造決定用導体パターン及びマトリクスアレー構造変更制御回路とを備えたことを特徴とする、
請求項１乃至１３の何れか一に記載の発光素子を用いた照明装置。
【請求項１５】
該同期波形フィルタは、
商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造に供給する電源部に接続され、
該脈流からのフィルタリング信号を取得し、
動作ステートを決定する動作ステート比較検出器に出力することを特徴とする、
請求項１４記載の照明装置。
【請求項１６】
該商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部は、ブリッジ整流器であり、
該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタの双方に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力することを特徴とする、
請求項１４又は１５記載の照明装置。
【請求項１７】
該商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部は、ブリッジ整流器であり、
該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第一のブリッジ整流器及び該同期波形フィルタに商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第二のブリッジ整流器を備えることを特徴とする、
請求項１４乃至１６の何れか一に記載のＬＥＤを用いた照明装置。
【請求項１８】
該照明装置は、
設定値を動的に変更可能な一定電流制御回路により、回路構造変更用制御素子を制御するステート制御電流ルックアップテーブルを含み、
該正規化された電圧と電流の関係を保持するルックアップテーブルと逐次変化する交流電圧比較により一定電流制御回路による段階的な定電流制御を行うことを特徴とする、
請求項１４乃至１７の何れか一に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＬＥＤを用いた照明装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ素子、以下単にＬＥＤとも称する）を使用した照明装置は、蛍光灯や白熱電球といった従来の照明器具に比べ、長寿命かつ低消費電力であるという特徴を有しており、環境への配慮に優れた次世代の照明機器として期待されている。交流電源を直接的に駆動電源として用いるものでは、当該交流電源を全波整流してＬＥＤ列に供給する。
【０００３】
交流電源を半波整流した場合は交流交番波形の一方の極性（例えばプラス側）の半波のみの間歇的な脈動波形となる。一方、全波整流した場合、一方の極性（例えばプラス側）に他方の極性（マイナス側）半波が折り返した連続する脈流波形となる。交流直接駆動は、このような脈流波形を持つ電源をＬＥＤに直接印加して点灯する方式である。
【０００４】
固定された回路構造を持つＬＥＤには点灯のための所定の電圧（点灯電圧）と動作電流があり、点灯電圧以下では消灯となる。全波整流した脈流電圧を印加した場合に、脈流波形の電圧が上記点灯電圧以上で点灯（オン）し、それ以下の電圧では消灯（オフ）し、これを繰り返すため、この点灯から消灯、消灯から次の点灯までの期間（消灯期間）の繰り返しは所謂、フリッカ（照明光のちらつき）となる。５０Ｈｚの交流電源の場合、毎秒１００回のフリッカが発生する。１００HZの明滅は動体視力よりも早い速度の為に知覚されることはまれであるが、この消灯期間が潜在心理的に不快な現象として無意識のうちに認識され身体的に悪影響を受けることが証明されている。
【０００５】
ＬＥＤ駆動回路からの高周波雑音の発生は、現在多くのＬＥＤ照明装置が採用している直流駆動方式では極めて顕著である。直流駆動方式は、交流を平滑直流電圧に一旦変換し、ＬＥＤを所定レベルの直流電圧と電流にて駆動させるものである。交流電源を直流化するために用いる交直変換回路、所謂インバータ回路でのスイッチング動作に起因してエネルギーの大きな高周波が発生する。
【０００６】
さらに、このような電源回路は素子数も多く、回路が複雑になり、コスト高となっている。また、この場合の平滑回路には電解コンデンサなどの大容量のコンデンサや電圧変圧器（トランス）を必要とする。このような電気部品は、ＬＥＤと比べて寿命が短く、長寿命の照明手段であることを特徴とするＬＥＤとの組み合わせは好ましくない。
【０００７】
ＬＥＤの駆動に関する従来技術を開示したものとして、例えば、特許文献１には、直流駆動方式のＬＥＤ技術が開示されており、商用交流入力電流の高周波成分を低減させながら、直流平滑電圧で点灯させた場合と同等の光出力が得られるＬＥＤ点灯装置（ＬＥＤ駆動回路）が開示されている。
【０００８】
一方、特許文献２には、直列接続された複数のＬＥＤを有するＬＥＤ列を駆動するＬＥＤ駆動回路であって、交流入力を整流する整流器と、オペアンプと該オペアンプの出力群に分圧抵抗を介して接続された複数の駆動用トランジスタとを有する定電流回路とを備え、整流器の出力側の一端をＬＥＤ列の入力側に接続し、複数のトランジスタの出力側の一端をそれぞれ、ＬＥＤ列における異なるＬＥＤ群数の接続ポイントに接続することにより、交流入力の電圧に応じて複数のトランジスタが選択的にＬＥＤ列を駆動するように構成したＬＥＤ駆動回路が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９ー１３４９４５号公報
【特許文献２】特開２０１３ー２０９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、普及の促進を考慮した結果、特許文献２に開示されたＬＥＤ駆動回路においても、交流入力で直接駆動できるような回路構成を採用していることから、例えば、５０Ｈｚの交流入力電圧であれば、全波整流した毎秒１００回にも及ぶ電圧の増減に対して、よりきめ細やかに電流も追従可能な改善されたＬＥＤ駆動回路が望まれる。また、特に多数のＬＥＤを直列接続したＬＥＤ列を駆動する場合など、交流入力電圧の変動によりＬＥＤ列が点灯しない期間（消灯期間）が長くなってフリッカが顕著になる。  
【００１１】
このような人の眼に感じるフリッカをさらに抑制可能なＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置の駆動方法が求められている。総合的に、簡便な構造で、部品点数の削減が可能であり低コストで製造可能で、信頼性が高いこととともに、フリッカや暗時間の問題を解決した安定した発光が得られ、高周波ノイズ問題がなく、低消費電力化と長寿命化を実現することが求められていると言える。
【００１２】
筆者らは、これらの課題を解決し、簡便な構成で安定した発光が得られ、平滑コンデンサは不必要でコストダウンと信頼性向上がなされ、低消費電力を実現し、且つ電圧電流制御にスイッチングレギュレータを排除可能であり、電磁波ノイズを発生しないＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置の駆動方法を提供せんと鋭意開発を進めている。（特願２０１６ー１１７６１９参照）
【００１３】
本発明は、従来の構成をさらに発展させ、構造変更素子の動作効率を金属配線との組み合わせにより向上して、より近似的に逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を複数の結合ユニットにより最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数のＬＥＤ発光素子と、これを駆動するＬＥＤ駆動回路を備え、該ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤ接続構造を形成し、該ＬＥＤ接続構造は、構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最小化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、該ＬＥＤ接続構造の変更にあたり、予め変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、且つ、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構を有し、該接続構造変更制御回路から該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を動的に変更することにより、スイッチング素子のオン抵抗に起因する損失発熱を低減し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより少ない電源回路資源でもエネルギ効率を改善し、安定した光束を実現することを特徴とする、照明装置である。
【００１５】
また本発明は、該接続構造変更制御回路が制御信号入力に応答して該発光素子構造物の回路構造を動的に変更し制御することを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、該発光素子、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構及び該接続構造変更制御回路が互いに近傍に形成され、且つ該発光素子、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続導体及び該接続構造変更制御回路は互いに基板上で電気的に接続することが可能であり、電気的接続をすることが可能構造物により結合された基板は、半導体プロセスにより集積化されたことを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、該回路構造変更用制御回路がスイッチ素子により構成されることを特徴とする。さらに本発明は、該スイッチ素子がトランジスタであることを特徴とする。さらに本発明は、該トランジスタが半導体構造により構成されるＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、又はバイポーラトランジスタ等の何れか一つであることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構がサブストレート基板上に選択的に形成される半導体、金属、透明な伝導性物質を用い、多層に渡る導体による接続で電気的に結合されたことを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、該ＬＥＤ接続構造が２の冪乗の数のＬＥＤ発光素子、あるいは同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造のＬＥＤ発光素子により構成され、該ＬＥＤ接続構造内の構造変更制御は、発光素子全数より小さい２の冪乗の数、あるいは同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造の発光素子群によって構成される発光単位に分割され、該発光素子の接続形態を変更する該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構及び該接続構造変更制御回路は、印加される制御信号入力に対応して、接続構造パターンを動的に変化させることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、該接続構造変更制御回路が逐次変化する交流電力電圧波形に対応して、正規化された基準電圧との比較を常時に行うことにより、マトリクス構造変更制御信号を最適な値に確定することを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、該照明装置が夫々のＬＥＤ発光素子に印加される電圧において動的なＬＥＤ接続構造の変更に従い、各構造に対応するところのあらかじめ設定された総合電流の規定値に動的に変更可能な一定電流制御回路を備えてなることを特徴とし、該一定電流制御回路は同一構造に印加される電圧にかかわらず、フィードバック回路により電流制御を行うことを特徴とする。さらに本発明は、該一定電流制御回路が該ＬＥＤ接続構造の発光単位ごとの個別一定電流制御回路として配置されてなることを特徴とする。
【００２２】
また本発明は、商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造に供給する電源部と、入力される商用電源の波形に対する同期信号を生成する同期波形フィルタと、該同期波形フィルタからの信号による動作ステートを決定する動作ステート比較検出器と、該ＬＥＤマトリクスアレーの接続構造を任意且つ又は最適な状態に変更する該回路構造変更用制御素子と配線構造物とマトリクスアレー構造変更用制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
また本発明は、該同期波形フィルタが商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造に供給する電源部に接続され、該脈流からのフィルタリング信号を取得し、動作ステートを決定する動作ステート比較検出器に出力することを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部がブリッジ整流器であり、該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタの双方に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力することを特徴とする。さらに本発明は、該商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部がブリッジ整流器であり、該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第一のブリッジ整流器及び該同期波形フィルタに商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第二のブリッジ整流器を備えることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、該照明装置が、設定値を動的に変更可能な一定電流制御回路により、回路構造変更用制御素子を制御するステート制御電流ルックアップテーブルを含み、該正規化された電圧と電流の関係を保持するルックアップテーブルと逐次変化する交流電圧波形との比較により一定電流制御回路による段階的な定電流制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置は、簡便な回路構成でもフリッカや暗時間の問題を解決した安定した発光が得られ、整流後の平滑用キャパシタ及びスイッチング方式の大容量電解コンデンサが不要となり、低コストで製造可能であり且つ長期信頼性が向上するとともに、高周波ノイズ問題は、電流制御回路の動作条件が緩和されることにより、軽減され、さらに、効果的に逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧が最適化されるが故に、電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化され、制御回路、素子における損失を低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置を提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成を説明するための概念図である。
【図２】図２は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成をさらに説明するための概念図である。
【図３】図３は、接続構造変更制御回路を構成するスイッチエレメント２の構成の例を示す概念図である。
【図４】図４は、本発明のベースとなる駆動方法を説明するための図である。
【図５】図５は、本実施例に於けるスイッチマトリクス動作の理解のための説明図である。
【図６】図６は、実用正規化を行ったあとの交流電圧と状態（ステート２乃至６）とＬＥＤアレイマトリクスのスイッチタイミング、波形同期のパターンを示した概念図である。
【図７】図７は、ＬＥＤアレイマトリクスのアレイ形状の変化パターンを説明する図である。
【図８】図８は、ＬＥＤアレイマトリクスのアレイ形状の変化パターンを説明する図である。
【図９】図９は、すべてのＬＥＤがＬＥＤの最小起動電圧ＶＦを越えた時点で全点灯が可能であることを説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明にかかる構成を半導体技術で集積して構成する例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成を説明するための概念図である。本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置は、複数のＬＥＤ発光素子と、これを駆動するＬＥＤ駆動回路を備え、該ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤ接続構造を形成し、該ＬＥＤ接続構造は、構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、該ＬＥＤ接続構造の変更の目的のために、予め変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、且つ、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構１を有し、該接続構造変更制御回路２から該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することにより、スイッチ素子のオン抵抗に起因する発熱損失が低減され、最適化された接続構造により電流制御回路の動作条件を緩和し動作エネルギ効率が改善されることを特徴とする、照明装置を実現する。
【００２９】
図２は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成をさらに説明するための概念図である。予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構１が用意され、これを選択することにより発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することができる。
【００３０】
図３は、接続構造変更制御回路を構成するスイッチエレメント３の構成の例を示す概念図である。該回路構造変更用制御回路はスイッチング素子により構成され、該スイッチング素子にはトランジスタが好適に用いられる。本実施例においてはトランジスタに半導体構造により構成されるＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＪＦＥＴ、又はバイポーラトランジスタ等を用いてもよい。かかる構成により発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することができた。
【００３１】
図４は、本発明のベースとなる駆動方法を説明するための図である。本発明においては、従来ＬＥＤ素子はアナログ電球の代替として扱われていたものを、デジタルのビット列のように扱うことにより、簡便な構成でフリッカや暗時間の問題を解決した安定した発光が得られ、整流後の平滑用キャパシタ及びスイッチングレギュレータ用大容量電解コンデンサが不要となり低コストで製造可能であり且つ長期信頼性が向上するとともに、電流制御回路の動作条件が最適化されることにより、制御回路、素子における損失の最小化を実現し、高周波ノイズが低減されるＬＥＤを用いた照明装置である。
【００３２】
本発明は、複数のＬＥＤ発光素子と、これを駆動するＬＥＤ駆動回路を備え、該ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤ接続構造を形成し、該ＬＥＤ接続構造は、構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率を最適化することにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、該ＬＥＤ接続構造の変更にあたり、予め変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、且つ、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構を有し、該接続構造変更制御回路から該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することにより、スイッチング素子のオン抵抗に起因する損失発熱が低減され、最適化された接続構造により電流制御回路の動作効率が改善されることを特徴とする、照明装置である。
【００３３】
また本発明は、該接続構造変更制御回路が制御信号入力に応答して該発光素子構造物の回路構造を動的に変更し制御することを特徴とする。
【００３４】
また本発明は、該発光素子、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構及び該接続構造変更制御回路が互いに近傍に形成され、且つ該発光素子、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続導体及び該接続構造変更制御回路は互いに基板上で電気的に接続することが可能であり、電気的接続をすることが可能な構造物により結合された基板は、PCB基板、MCM基板或いは半導体プロセスにより集積化されたものであることを特徴とする。
【００３５】
また本発明は、該回路構造変更用制御回路がスイッチング素子により構成されることを特徴とする。さらに本発明は、該スイッチング素子がトランジスタであることを特徴とする。さらに本発明は、該トランジスタが半導体構造により構成されるＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、又はバイポーラトランジスタ等の何れか一つであることを特徴とする。
【００３６】
また本発明は、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構がサブストレート基板上に選択的に形成される半導体、金属、透明な伝導性物質を用い、多層に渡る導体による接続で電気的に結合されたことを特徴とする。
【００３７】
また本発明は、該ＬＥＤ接続構造が２の冪乗の数のＬＥＤ発光素子、あるいは同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造のＬＥＤ発光素子により構成され、該ＬＥＤ接続構造内の構造変更制御は、発光素子全数より小さい２の冪乗の数、あるいは同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造の発光素子群によって構成される発光単位に分割され、該発光素子の接続形態を変更する該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構及び該接続構造変更制御回路は、印加される制御信号入力に対応して、接続構造パターンを動的に変化させることを特徴とする。
【００３８】
また本発明は、該接続構造変更制御回路が逐次変化する交流電力電圧波形に対応して、正規化された基準電圧との比較を常時に行うことにより、マトリクス構造変更制御信号を最適な値に確定することを特徴とする。
【００３９】
また本発明は、該照明装置が夫々のＬＥＤ発光素子に印加される電圧において動的なＬＥＤ接続構造の変更に従い、各構造に対応するところのあらかじめ設定された総合電流の規定値に動的に変更可能な一定電流制御回路を備えてなることを特徴とし、該一定電流制御回路は同一構造に印加される電圧にかかわらず、フィードバック回路により電流制御を行うことを特徴とする。さらに本発明は、該一定電流制御回路が該ＬＥＤ接続構造の発光単位ごとの個別一定電流制御回路として配置されてなることを特徴とする。
【００４０】
また本発明は、商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造に供給する電源部と、入力される商用電源の波形に対する同期信号を生成する同期波形フィルタと、該同期波形フィルタからの信号による動作ステートを決定する動作ステート比較検出器と、該ＬＥＤマトリクスアレーの接続構造を任意且つ又は最適な状態に変更する該回路構造変更用制御素子と配線構造物とマトリクスアレー構造変更用制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００４１】
また本発明は、該同期波形フィルタが商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造に供給する電源部に接続され、該脈流からのフィルタリング信号を取得し、動作ステートを決定する動作ステート比較検出器に出力することを特徴とする。
【００４２】
また本発明は、商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部がブリッジ整流器であり、該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタの双方に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力することを特徴とする。さらに本発明は、該商用電源から全波整流または両波整流した脈流をＬＥＤ接続構造及び該同期波形フィルタに供給する電源部がブリッジ整流器であり、該ブリッジ整流器は該ＬＥＤ接続構造に商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第一のブリッジ整流器及び該同期波形フィルタに商用電源から全波整流または両波整流した脈流を出力する第二のブリッジ整流器を備えることを特徴とする。
【００４３】
また本発明は、該照明装置が、設定値を動的に変更可能な一定電流制御回路により、回路構造変更用制御素子を制御するステート制御電流ルックアップテーブルを含み、該正規化された電圧と電流の関係を保持するルックアップテーブルと逐次変化する交流電圧比較により一定電流制御回路による段階的な定電流制御を行うことを特徴とする。
【００４４】
本発明は、電球照明装置の発展型ではなく、デジタル技術を適用した、新しい着想に基ついた照明電力制御方式をリーズナブルに実現する構成であり、スイッチングレギュレータを使用しないことも可能なので、電磁波ノイズがまったく発生せず、平滑コンデンサが不必要となるためコストダウンに寄与し、低電圧からの全ＬＥＤ素子の発光が可能なため良好なフリッカ性能を有し、寿命部品が無いので信頼性が非常に高いＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置を実現する。
【００４５】
本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置は、調光機能の追加も可能であり、街路灯、 防犯灯、病院、医療機器、アミューズメント施設、無線施設、航空機などに好適に応用でき、製品としては蛍光灯型直管、ベースライト、ダウンライト、投光器、交換型ＬＥＤ電球などに好適に用いられる。さらに、ＬＳＩ化が容易な回路構成のため、将来的に更なるコストダウンが可能である。
【実施例１】
【００４６】
図１は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成を説明するための概念図である。本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置は、複数のＬＥＤ発光素子と、これを駆動するＬＥＤ駆動回路を備え、該ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤ接続構造を形成し、該ＬＥＤ接続構造は、構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、該ＬＥＤ接続構造の変更にあたり、予め変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、且つ、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構１１を有し、該接続構造変更制御回路１２から該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することにより、スイッチ素子のオン抵抗に起因する損失発熱を低減し、かつ電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化されることを特徴とする、照明装置を実現した。
【００４７】
図２は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の構成をさらに説明するための概念図である。予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構１１が用意され、これを選択することにより発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することができる。
【００４８】
図３は、接続構造変更制御回路を構成するスイッチエレメント１２の構成の例を示す概念図である。該回路構造変更用制御回路はスイッチング素子により構成され、該スイッチング素子にはトランジスタが好適に用いられる。本実施例においてはトランジスタに半導体構造により構成されるＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＪＦＥＴ、又はバイポーラトランジスタ等を用いてもよい。かかる構成により発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することができた。
【００４９】
図４は、本発明のベースとなる駆動方法を説明するための図であり、理解しやすいことと、現状のＬＥＤ素子性能を勘案して、１２８個のＬＥＤをドライブする場合を実用的な例として説明したものである。ここで、本実施例においてＬＥＤマトリクスを構成する単位数を１２８個で説明を行ったが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく任意のサイズのマトリクスを形成する素子数にて構成することができる。ただし、その構成が２の冪乗になるようにすることが有利である。本実施例の説明とは別に、例えば６４個、３２個或いは２５６個のユニットからなる構成等も好適に適用することが出来る。
【００５０】
本発明に於いては、ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤマトリクスを形成し、該ＬＥＤマトリクスは、マトリクス構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を最小化する。
【００５１】
図４に示した例に於いては、ビット数は１２８個であるから、２進冪乗で考えると、必要となる２進桁数は７ビットとなる。本実施例に於いては、７ビットのＬＥＤを順次桁数ごとに切り替えてＬＥＤの接続構造を変化させることにより、逐次変化する交流波形電圧ごとにＬＥＤにかかる電圧を最適化する方法を概念的に示している。
【００５２】
図５は、本実施例に於けるスイッチマトリクス動作の理解のための説明図である。最高動作電圧を超える電圧域に於いては図中最上段に示すように全ＬＥＤ発光素子が直列になるようにスイッチされる。電圧が最高動作電圧の１／２の場合は１／２直列となるようにスイッチされる。以下、ビット数に対応してマトリクスがスイッチングされ、最終的に最高動作電圧の１／１２８の場合はすべて並列になるようにスイッチングされる。
【００５３】
論理的には１２８個のＬＥＤを２の冪乗となる形状に逐次変化させ、同時に要求される電圧を加えればよいが、実際のＬＥＤ素子の動作電圧は最低でも３Ｖ必要となるため、それぞれのマトリクススイッチの形状の要求電圧は、必ずしも交流１００Ｖの周期的な電圧波形と一致しない。そのため、正規化を行うことによりマトリクス構造制御ビットの最適化を行う。図６は、本実施例に於ける正規化の例を示したものであり、このような正規化により高効率な駆動が実現される。
【００５４】
図７は、実用正規化を行ったあとの交流電圧と状態（ステート２乃至６）とＬＥＤアレイマトリクスのスイッチタイミング、波形同期のパターンを示した概念図である。実用化の為のマトリクス構造の切り替え方法と基板上配線数の決定のため、かかる正規化が必要となる。動作メカニズムとしては、交流電源の変化する電圧に応じた動作ステートに従い、ＬＥＤマトリクスを動的に変形させると同時に、逐次変化するＬＥＤエレメントの印加電圧に応じてその動作ステートに必要となるＬＥＤの電流値も制御する。
【００５５】
図８は、ＬＥＤアレイマトリクスのアレイ形状の変化パターンを説明する図である。ＬＥＤアレイマトリクスを直列、並列で切り替えることにより全ＬＥＤをどの動作電圧でも点灯させることができる。本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置の駆動方法は、１２８個のＬＥＤアレイ形状を入力される交流波形に伴って、並列、直列構造を変化させることにより、印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失（廃熱）を最小化することができる。
【００５６】
本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置、ＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路及びＬＥＤを用いた照明装置の駆動方法は、すべてのＬＥＤは、ＬＥＤの最小起動電圧ＶＦを越えた時点で全点灯が可能である。図６は、すべてのＬＥＤがＬＥＤの最小起動電圧ＶＦを越えた時点で全点灯が可能であることを説明する図である。交流電圧の低い部分では並列化されているために、低電圧から点灯可能となる。また、常時すべてのＬＥＤが点灯しているため、一般的なコンデンサレス方式とは異なり、フリッカが発生しないという利点がある。
【００５７】
図９は、本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置の駆動回路の機能ブロックダイヤグラムを示す概念図である。本発明に於いては、ＬＥＤ発光素子は複数のＬＥＤ発光素子により構成されたＬＥＤマトリクスを形成し、該ＬＥＤマトリクスは、マトリクス構造変更制御回路により、入力される交流波形に対応して動的にＬＥＤ接続構造を変更する構成を有し、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化される。本発明は、夫々のＬＥＤ発光素子に印加される電流がＬＥＤ接続構造の変更に関わらず一定となるような一定電流制御回路を備えてなる。該一括制御定電流制御回路としては、定電流素子（ＣＲＤ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラトランジスタを含む定電流回路が好適に用いられる。
【００５８】
ここで、一連の説明においてＬＥＤマトリクスを構成する単位数を１２８個で説明を行ったが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく任意のサイズのマトリクスを形成する素子数にて構成することができる。即ち、ＬＥＤ接続構造が同等の電気的負荷特性になりえる組み合わせ構造のＬＥＤ発光素子により構成されるようにしてもよい。ただし、その構成が２の冪乗になるようにすることが回路構成の点等において有利であることは述べて来た通りである。また、本実施例の説明とは別に、例えば６４個、３２個或いは２５６個のユニットからなる構成等も好適に適用することが出来る。
【００５９】
本実施例にかかる図１乃至３に示された構成により、逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失を相対的に低減することを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置であって、該ＬＥＤ接続構造の変更にあたり、予め変更される対象の接続構造パターンが設定されてなり、且つ、該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構を有し、該接続構造変更制御回路から該予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構に供給される制御信号に従い、該発光素子に印加される交流電力波形に適した形態にＬＥＤ接続構造を変更することにより、スイッチ素子のオン抵抗に起因する損失発熱を低減し、電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化される照明装置が得られた。
【００６０】
図１０は、本発明にかかる構成を半導体技術で集積して構成する例を説明する図である。このように半導体技術を用いることによって、非常に簡便な構成で、コンパクトに高効率且つ制御回路、素子における損失を相対的に低減する照明装置を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明に係るＬＥＤを用いた照明装置は、簡便な構成でフリッカや暗時間の問題を解決した安定した発光が得られ、整流後の平滑用キャパシタ及びスイッチングレギュレータ用の大容量電解コンデンサが不要となり低コストで製造可能であり且つ長期信頼性が向上するとともに、効果的に逐次変化する印加電圧と素子の要求電圧を最適化し、電流制御回路の動作エネルギ効率が最適化されることにより、制御回路、素子における損失の最小化を実現するとともに、高周波ノイズが低減されることを特徴とするＬＥＤを用いた照明装置を提供でき、以って産業上の利用価値は多大であると言える。
【符号の説明】
【００６２】
１    予め設定された接続構造パターンに対応する接続機構
２    接続構造変更制御回路
３    接続構造変更制御回路を構成するスイッチエレメント
【図１】
2019046685.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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