JP2010514090A - チューブ状ｌｅｄ光源 - Google Patents

Abstract

熱伝導性材料で作られたチューブ１の一部の外表面にＬＥＤ２を実装し、ＬＥＤの熱をチューブに伝導させ、チューブの他の外表面に配置された冷却フィン６によって熱を周囲に転移することができるチューブ状ＬＥＤ光源。ＬＥＤ及びチューブ端部のコネクタ１０に電気的に接続する電子制御装置７がチューブ内部に設置される。コネクタによって、光源を既存の蛍光灯機器に装着できる。チューブ内部は真空であり寒冷下でも凝縮水が発生しない。電子制御装置はＬＥＤの点灯／消灯、光レベルの調節、光の色成分の調節ができ、これにより異なる色温度を生じさせることができる。光源は、周囲の動きを検知するセンサと周囲の光のスペクトラムを計測するセンサを有する。電子制御装置は既存の電力ケーブルによって他の光源又は中央制御ユニットと通信可能であり、更に光源の動作に関する情報を記録し分析できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光灯に替わる新しいタイプの光源に関する。本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）に基づき、既存の蛍光灯用の器具に差し込むことができる。この光源は、ＬＥＤのテクノロジと組み込みのインテリジェント・コントローラによって、蛍光灯に比べ多くの利点をもつ。他のＬＥＤ光源と同様、その利点は、例えば、エネルギ消費が少ないこと、寿命が著しく長いこと等を含む。ＬＥＤの性能は、温度をできるだけ低く保持することに大きく依存する。このため、本発明によって提供される光源は、ＬＥＤの熱を効率的に転移（移動）させている。また、組み込みのインテリジェント・コントローラは、どうしても必要な量の光だけを放射するように常に管理することによって、光源のエネルギ消費を低減させるのに寄与する。

蛍光灯に替わるＬＥＤベースの光源について記載した特許は既に多数存在している。これら全てに共通することは、内部にＬＥＤを実装した透明なチューブ（管）から成ることである。そのチューブの端部には、蛍光灯器具に挿入できるようにコネクタが設けられている。かかる構造は、米国公開２００５／２８１０３０、２００３／１０２８１０、２００４／１８９２１８、２００４／０９５０７８、中国公開（公告）１７０７１５３及び本願の出願人の欧州特許ＥＰ１６１８３３１に記述されている。これら全ては、ＬＥＤがチューブの全長に沿いかつ全方位で実装され、そのため、光はチューブの四方に無指向状態で放射される。

国際公開ＷＯ２００５／０１７９６６及び米国公開２００４／１５６１９９のような他の特許では、ＬＥＤはチューブの端部に実装され、光をチューブの中央に対して放射する。そしてオプティックスを用いることで、光をチューブ全体にわたり分配（distribute）する。

米国公開２００２／０６０５２６、２００５／２２５９７９は単にチューブの表面の限定された部分から光を放射するだけである。これは、リフレクタを用いることによって、又は、ただ所望の方向にＬＥＤを向けることによってなされる。

蛍光灯に替わることを直接目標としないＬＥＤ光源の例は米国特許公開２００２／１２５８３９である。これは、ＬＥＤの裏側にヒート・シンクを実装しているので、多少とも熱力学を考察している。しかしながら、ＬＥＤと冷却フィンの両方ともなお透明なチューブの内側に封入されている。

組み込みのコントローラに関しては、米国公開２００５／２８１０３０に記載の光源が、昼光レベルを検知するための組み込みのセンサと人を検知するための動き（movement）センサとを有する。これらのセンサは、照明レベルを制御できる組み込みのコンピュータと通信する。コンピュータはまた、同じタイプの他の光源又はＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）とも通信することができる。通信は全て専用の特別なケーブル又はワイヤレスで行われる。

光の色温度の制御については、既に、かかる機能を持つ多数のＬＥＤ光源が存在する。これらの光源は、赤、緑及び青（ＲＧＢ）のＬＥＤの光を混合することによって作動する。台湾特許２２６７９１Ｂ、国際公開２００５／０３０９０３、米国公開２００５／１５７５１５、ドイツ特許ＤＥ１０２００４００２３９８及び中国公開（公告）１６１９８１０はそうした光源を記載する。これらのどれも蛍光灯に替わることに関係しない。

[現状技術と比較した本発明の利点]
蛍光灯に替わる既知のＬＥＤベースの光源は全て、その必要はないのに、できるだけ蛍光灯に見えるように作られている。そのＬＥＤは透明なチューブの内側に封入されるが、それは見かけの効果は別として、実際は、チューブの内側の電子装置（electronics）を保護するのに役立つだけである。透明なチューブによる解決法は、いくつかの重要な欠陥を持っている。そのチューブは温室のように作用し、チューブの内側のＬＥＤ及び電子装置は熱を逃がす機会がない。熱は蓄積し、ＬＥＤの性能は光源が点灯された時間に比例して低下する。透明なチューブによる別の欠陥は、放射した光の一部がチューブ内に吸収されることである。このため、光は浪費され光源の全体的な性能をいっそう低下させる。

本発明は上述した欠陥をもたない。ＬＥＤ（２）は熱伝導チューブ（１）の外表面に実装される。これによって、ＬＥＤから出た熱はそのチューブの表面全体に分配される。熱伝導チューブは直接光源の周囲の空気に触れていて、熱（１５）は容易にその空気に転移する。電子制御装置（７）は、チューブの内側に実装され、熱伝導チューブに熱的に接続（８）される。これにより、その電子装置の熱は有効にそのチューブに転移する。ＬＥＤ（２）はチューブの外側に実装されているので、光（１４）は直接周囲に放射される。ＬＥＤは、その電気接続部が電気絶縁材（５）内に入れられ、その電気絶縁材もまた熱を伝導するので、なお充分に保護されている。

同じく透明チューブを基礎とする組み込みのインテリジェント・コントローラの類を備えた既存の光源（米国公開２００５／２８１０３０）は、光レベルを検知するためだけの組み込みの光センサを有する。本発明の光センサ（１２）は、その周囲の光の全スペクトラムを検知する。その意味するところは、照明レベルだけではなく周囲の全体的な光質が検知できることである。光質は、色温度及び照明レベルとして規定される。

米国公開２００５／２８１０３０には、光源及び／又はセントラルＰＬＣ間の通信について記載されている。この通信は特別な別個のケーブル又はワイヤレスで行うことができる。これらの方法のいずれも本願には適さない。ワイヤレス通信は、利用中だけでなく、通信の準備のできているスタンバイ・モードにおいても、比較的多くのエネルギを使用する。これは、省エネルギを目標とする用途には適さない。特別のケーブルを導入して照明システムの各器具／チューブを接続することは、適用コストをいっそう増大させる。それはまた導入をより困難なものにしている。それ故、これは良い解決策ではない。本発明は、この通信の問題を既設の電力ケーブルを通信線として使用することで解決する。変調された信号は電源ラインを擾乱させることはなく、そのケーブル上を伝送する。更に、この解決策は新規の設備は不要で、エネルギの消費は最小限に維持される。

従来の蛍光灯の大きな欠点の一つであり、また未だに白熱電球が売られている理由の一つでもある色温度は、蛍光灯に替わる従来のＬＥＤベースの光源ではこれまで改善されてこなかった。他方、ＬＥＤの技術はどのような色又は色温度の光も可能にする。白熱電球の色温度であっても可能である。本発明はこの利点を活かしており、どのような色温度にも作ることができる。

[新規の技術手段及び効果]
蛍光灯に替わる既存のＬＥＤベースの光源に対し、本発明は、熱伝導材料で作られているチューブ（１）を基礎とし、ＬＥＤ（２）がチューブの外側に実装されていることによって異なる。ＬＥＤは均等にチューブの外表面の小部分に配置される。その外表面の残りの部分（６）は、熱（１５）を周囲に分散するために利用される。電子制御装置（７）はチューブの内側に設置され、チューブの端部のコネクタ（１０）と、チューブの外側のＬＥＤ（２）及びセンサ（１２，１３）とに電気的に接続する。この電子制御装置（７）はチューブに熱的に接続（８）する。その結果、ＬＥＤの熱は効果的に外部に逃げる。これにより、ＬＥＤの温度は最小限に保持され、性能が大きく向上した。更に、光が透明なチューブを介して放射するのではなくて、直接周囲に放射するので、光の不要な損失がない。典型的な透明のアクリルチューブは約１０％の光を吸収する。

ここで述べている本発明は、もちろん、チューブの端部にコネクタ（１０）があり、そのコネクタは既存の蛍光灯器具のソケットに嵌合するような大きさで作られている。その結果、本発明はそのまま蛍光灯の代りにすることができる。

コネクタ（１０）が配置されているチューブの末端部（９）は、そのチューブを緊密にシールする。チューブの内側の電子制御装置（７）から外側のＬＥＤ（２）に至る接続部（４）もシールされる。チューブの内側は、空気が全て吸い出されて真空（２０）となる。その結果、チューブの内側の電子装置は凝縮水（結露）に対し、またそれによって生じ得る損傷から保護される。これによって、光源は周囲の温度が非常に低くても機能することができる。

電子制御装置（７）は光源の動作（操作）に関する全ての情報を記録することができる。例えば、光がいつ及びどのようにして点灯し消灯されたか、また調整（調光）されたか、あるいはセンサがいつ部屋で人を検知したかを記録することができる。これらの情報はデータ・ベースに収納することができる。電子制御装置は、そのデータ・ベース／ログから統計値を抽出し、それによって利用の形態（パターン）を分析することができる。その目的は、光の利用を全体で最小限にすることである。

組み込みの電子制御装置は同じタイプの他の光源、または同じ照明システムの中央制御ユニットと通信することができる。その通信は、その照明システムの全ての器具に既に接続する既設の電力ケーブルで行われる。通信は電力ラインを擾乱しない、というのも、その通信は別の周波数帯域で動作し、また振幅がずっと小さいからである。通信は、例えば、電話網で電話番号を送るのに使用されるＤＴＭＦ変調によって行われる。他のより進んだ通信方法としては、原理的に電力ライン上でのイーサーネット送信である電力線ネットワーキングが可能であろう。これらの技術は、ともに、既に高度に進化した規格（基準）となっている。その結果、元来中央のスイッチで制御されていた照明システムの光源は、今は、その光出力を個別に点灯／消灯及び調整（調光）することが可能な個別の光源となる。コマンドは光源によって又は中央制御ユニットによって送ることができる。これによりフレキシビリティと省エネルギの機会がかなり増大する。例えば、倉庫では、基本的に、フォークリフトが稼動する場所だけに明かりが必要である。本発明は、こうした場所だけを照らすことを可能とする。フォークリフトは、光源に組み込みのセンサによって検知することができる。その光源は、近隣の光源と通信することによって、フォークリフトの周囲に照明エリアを生じさせることができる。これによって、多くの照明及びエネルギを節約できる。本発明のＬＥＤは、光源に不都合やダメージを与えることなく瞬時に点灯し／消灯し又は調整（調光）することができる。

本発明は、周囲の光質を検知するための一つ又はそれ以上の組み込みのセンサ（１２）を有する。そのセンサは昼光の光の分布または他の人工光源の光の分布を測定する。光質の検知は、可視光域の全スペクトル分布の検知を意味する。これから、光レベルだけでなく色温度も導き出すことができる。センサは組み込みの電子制御装置と通信する。その結果、光源はその周囲における全体の光レベルを調節することできる。これによって、光源は、その周囲で必要とされる光質を保持するのに必要なエネルギ量だけを正確に使用する。

本発明は組み込みの動きセンサ（１３）（複数）を有する。これらは既知のタイプであるＰＩＲ（Passive Infrared、パッシブ赤外線型）であってもよい。これらは、光源の照明エリアにおいて、人や車両等の温もりのある（warm）対象を検知することができる。そのセンサは組み込みの電子制御装置と通信する。その結果、以前述べたように、光源は必要なときに点灯し必要でないときに消灯することができる。

本発明では、一般のＬＥＤに代わって、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）と呼ばれる特別な種類のＬＥＤを使用することができる。その結果、照明がより均質に、かつデザインがよりコンパクトになり、将来、より魅力的な光源となるであろう。

組み込みの電子制御装置（７）は、全体的に、あるいは色成分の赤、緑及び青（ＲＧＢ）毎に特定して、光レベルを調整する機能を有する。その結果、どのような色温度又は色の光も放射することができる。

チューブの外側に実装されたＬＥＤ（２）は異なるグループで構成されている。各グループは、照明の方向を示す。各グループは個別に制御することができる。その結果、光源の照明の方向はダイナミックとなり、電子的に変化させることができる。このことは、更にエネルギを節約する機会を与え、また装飾的効果を与える。例えば、たくさんの昼光が入射する大きな窓を有する講義室がある。日が進み昼光が角度と強度を変化するにつれ、光源は、照明方向と光レベルを変化させることにより、これを補償することができる。これによって、黒板とデスクは常に必要な量の照明を受けている。

光源の断面を示す断面図である。 端部からみた光源を示す斜視図である。 側部からみた光源を示す側面図である。 別のデザインの光源を示す断面図である。 更に別のデザインの光源を示す断面図である。

[発明の好適な実施形態]
本願の光源は、特別に押出成型されたアルミニウム・チューブ（１）を基礎とする。その形状は、その半分の側が、６つの辺を持つ正多角形（regular polygon）に類した表面を持つ（図１参照）。他方の半分の側においては、表面領域は熱（１５）の対流を最大限にするため、冷却フィン（６）で構成する。多角形の各辺には、ＳＭＤ（表面実装型）ＬＥＤ（２）が実装され、多角形の辺に対し垂直な方向に光（１４）を放射する。ＳＭＤ ＬＥＤの端子は、各ＬＥＤ間の電気接続を引き受けている薄いプリント回路基板（ＰＣＢ）（３）に電気的に接続される。ＬＥＤの裏側は、熱的にアルミニウムのチューブに接続されている。チューブの外側の電気接続を保護し絶縁するために、ＳＭＤ ＬＥＤの端子とＰＣＢは、熱伝導性のエポキシ化合物（５）に埋め込まれる。チューブの外側にあるＰＣＢは、チューブの内側の組み込みの電子制御装置（７）に、ワイヤ（電線）（４）によって接続される。ワイヤはチューブの孔部を貫通し、その孔部もまたエポキシ化合物でシールされる。このチューブの内側には、凹陥部（２３）が２つ有り、そこには、電子制御装置（７）を含むＰＣＢが実装される。電子制御装置の熱発生素子（８）は熱的にアルミニウムのチューブに接続される。チューブの各端部には、嵌合の緊密な末端部（９）があり、その末端部は、蛍光灯用の器具に嵌合する大きさに作られたコネクタ（１０）を備える。チューブ上の冷却フィンのプロファイル（profile、外形）は末端部（１１）に続く。これは、特にチューブが垂直な器具に実装された場合に、冷却フィンに沿った空気の流れを良くするためになされている。チューブの内側は、電子制御装置に損傷を与え得る凝縮水（結露）を回避するために真空（２０）となっている。照明を均質にするためチューブに沿ってＬＥＤは均等に配置される（図２参照）。動きを検知するためのセンサ（１３）と光スペクトラム分布を検知するためのセンサ（１２）とは、チューブの外側に配置され、またチューブの内側の電子制御装置に接続される。

[発明の第２の好適な実施形態]
別の好適な実施形態では、図４に光源のデザインが示される。アルミニウムのチューブ（１）は、その半分の側はやはり正多角形（regular polygon）に類した形状となっている。辺の数は、光源の照明の所要の角度とＬＥＤの照射パターンとに依存する。

この事例では、辺は３つで足りる。チューブの他方の半分の側は、その表面が湾曲（１６）している。ＬＥＤは時間によって効率が良くなるので、これで、チューブを冷却するのに充分な表面積を与えるであろう。その結果、その湾曲部はヒート・シンクとして機能する。多角形の各辺には、やはりＬＥＤが均等に配置されている。今回は、コストを最小限にするために、ＳＭＤ素子でなく、むきだしのＬＥＤチップ（１７）が使用され、そのＬＥＤチップは熱的にアルミニウムのチューブに接続され、かつ細いワイヤ（２１）によってＰＣＢ（３）に直接電気的に接合される。これらは全体が透明の熱伝導性エポキシ化合物（１９）内にシールされる。チューブの内側には、電子制御装置（７）が多積層型のＰＣＢに配置される。ＰＣＢは、チューブの内側のいくつかのレール（１８）によって定位置に保持される。光源のその他の実装については、第１の実施形態で述べたものと同一である。

[発明の第３の好適な実施形態]
図５は、本発明の好適な第３の実施形態を示す。この実施形態と前述の実施形態との間の違いは、この実施形態が、多数の個別のＬＥＤを使用する代わりに、多数の有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）から成る一つのモジュール（２４）を使用することである。

Claims (10)

1. ＬＥＤがチューブの外表面に実装され、かつそのＬＥＤが組み込みの電子装置と電気的に接続された、チューブ状のＬＥＤ光源であって、チューブ（１）が熱伝導性材料で作られ、そのチューブ（１）が熱を周囲に分散させ、ＬＥＤ（２）がチューブ（１）の外表面の一部に均等に配置され、電子制御装置（７）が、ＬＥＤ（２）がその外側に配置されているチューブ（１）の内側に配置されていることを特徴とし、また、ＬＥＤの光が周囲に妨げられることなくアクセスできることを特徴とする光源。
2. 前記チューブの内側の電子回路（７）に電気的に接続され、かつ蛍光灯のためのソケットに嵌合する大きさに作られているコネクタ（１０）を端部に設けたことを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
3. 前記チューブの内側は真空（２０）であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
4. 前記電子制御装置（７）は、光源の動作についての情報を記憶し、その情報を分析してエネルギ消費を最小限にすることができることを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
5. 前記電子制御装置（７）は、既設の電力ケーブルによって、他の光源又は中央制御ユニットと通信することができることを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
6. 周囲からの光のスペクトラムを計測するために一つ又はそれ以上の組み込みのセンサ（１２）を設けたことを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
7. 光源の周囲の動きを計測するために一つ又はそれ以上の組み込みのセンサ（１３）を設けたことを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
8. 前記チューブの外表面に、一つ又はそれ以上の有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）（２４）を実装したことを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
9. 放射される光の色成分（赤、緑、青）が個別に制御可能であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。
10. 光源の照明エリアが、いくつかのＬＥＤを点灯／消灯し又は調光することによって調節できることを特徴とする請求項１に記載のチューブ状のＬＥＤ光源。

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