JP2005129598A - 発光制御装置および発光制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子の駆動電流を上げると、発熱により発光効率が低下する。
【解決手段】 温度特性記憶部１６は、ＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆと周囲温度Ｔａの関係を示すＶｆ−Ｔａテーブル１７と、周囲温度Ｔａと最大許容電流Ｉｆｍａｘの関係を示すＴａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９とを記憶する。電源１１により駆動されたＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆが検出され、帰還点決定部１４に与えられる。温度算出部１３は、Ｖｆ−Ｔａテーブル１７を参照して、検出された順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを求める。駆動電流決定部１５は、Ｔａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９を参照して、求められた周囲温度Ｔａから最大許容電流Ｉｆｍａｘを決定し、ＬＥＤ素子１００の駆動電流の指令値をＤ／Ａ変換器１８を介して定電流源２２に与える。定電流源２２は指令値にしたがってＬＥＤ素子１００の駆動電流を調節する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、発光制御技術に関し、特に発光素子の駆動電流を調節して発光量を制御する発光制御装置および発光制御方法に関する。

携帯電話機やＰＤＡ（Personal Data Assistant）などの電池駆動型の携帯機器では、ＬＥＤ（Light-Emitting Diode）素子をＬＣＤ（Liquid Crystal Display）のバックライトや付属のＣＣＤ（Charge-Coupled Device）カメラのフラッシュとして用いたり、発光色の異なるＬＥＤ素子を点滅させてイルミネーションとして用いるなど、各種の目的でＬＥＤ素子が利用されている。

ＬＥＤ素子は電流に比例して発光量が増加する特性をもつが、発光効率はＬＥＤ素子の温度に依存しており、電流増加で素子温度が上昇すると、発熱により発光効率が急激に低下する。素子温度が規格値を超えると、電流をそれ以上増やしても光出力が上がらなくなる現象が起こる。特に超高輝度ＬＥＤ素子には、駆動電流が１００ｍＡを超えるものがあり、熱抵抗による光出力の低下が著しい。この問題を克服するために、放熱方法に工夫を凝らして、高い発光強度のＬＥＤ素子を実現するための研究開発が進められている。

このように、ＬＥＤ素子の発光制御の際、発熱の問題を考慮することが必要となる。特許文献１には、ＬＥＤ等の半導体発光素子の温度を検出する温度検出手段を設け、温度検出手段の出力を用いて発光素子の駆動電流を制御する駆動回路が開示されている。
特開２００２−６４２２３号公報

特許文献１の駆動回路では、発光素子の周囲温度を検出するための温度センサが必要となり、駆動回路の製造コストが高くなる。本発明はこうした状況に鑑みてなされたもので、その目的は、発光素子の発熱を考慮して駆動電流を適正なレベルに調整することのできる発光制御装置および発光制御方法の提供にある。

本発明のある態様は発光制御装置に関する。この装置は、発光素子の順方向電圧に対する周囲温度の特性を示す順電圧対周囲温度テーブルを順方向電流別に記憶する温度特性記憶部と、制御対象の発光素子の順方向電圧を検出する順電圧検出部と、前記順電圧対周囲温度テーブルを参照することにより、検出された順方向電圧から前記発光素子の周囲温度を求める温度算出部と、前記温度算出部により求められた前記周囲温度にもとづいて、前記発光素子の駆動電流の指令値を決定する駆動電流決定部と、決定された指令値をもとに前記発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを含む。この構成によれば、発光素子の動作周囲温度の範囲内で駆動電流を調節して発光量を制御することができる。

本発明の別の態様は発光制御方法に関する。この方法は、発光素子の順方向電圧を検出するステップと、前記発光素子の順方向電圧に対する周囲温度の特性を示す順電圧対周囲温度テーブルを参照することにより、検出された順方向電圧から前記発光素子の周囲温度を求めるステップと、求められた前記周囲温度にもとづいて、前記発光素子の駆動電流の帰還点を設定し、前記発光素子の駆動電流を制御するステップとを含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、発光素子の温度特性を考慮して駆動電流を調節し、発光強度を制御することができる。

実施の形態１
図１は、実施の形態１に係る発光制御装置１０の構成図である。発光制御装置１０は、制御対象として接続されたＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆを検出し、検出された順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを推定してＬＥＤ素子１００の駆動電流の最適な帰還点を求め、ＬＥＤ素子１００の発光量を制御する。

Ａ／Ｄ変換器１２は、リチウムイオン電池などの電源１１により電池電圧Ｖｂａｔの電力が供給されて駆動されたＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆを検出し、デジタル信号に変換して帰還点決定部１４に与える。

帰還点決定部１４は、Ａ／Ｄ変換器１２から与えられた順方向電圧Ｖｆにもとづいて、ＬＥＤ素子１００の周囲温度Ｔａを求め、さらに周囲温度ＴａにもとづいてＬＥＤ素子１００の駆動電流の最適な帰還点を決定する。帰還点決定部１４は、周囲温度Ｔａの算出と駆動電流の帰還点の決定のために、温度特性記憶部１６に記憶されたＬＥＤ素子１００の温度特性テーブルを参照する。

温度特性記憶部１６は、ＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆと周囲温度Ｔａの対応関係を与えるＶｆ−Ｔａテーブル１７と、周囲温度Ｔａと最大許容電流Ｉｆｍａｘの対応関係を与えるＴａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９とを記憶する。Ｖｆ−Ｔａテーブル１７およびＴａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９は、後述するＬＥＤ素子１００の温度特性にもとづいて、あらかじめ用意される。ＬＥＤ素子１００の温度特性は、ＬＥＤ素子１００の種別により異なるため、Ｖｆ−Ｔａテーブル１７およびＴａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９は、制御対象のＬＥＤ素子１００毎に個別に用意され、温度特性記憶部１６に記憶された後もそのデータは外部から適宜書き換え可能である。

帰還点決定部１４の温度算出部１３は、温度特性記憶部１６に記憶されたＶｆ−Ｔａテーブル１７を参照することにより、検出された順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを求める。駆動電流決定部１５は、温度算出部１３により求められる周囲温度ＴａがＬＥＤ素子１００の動作周囲温度の範囲内に収まり、ＬＥＤ素子１００の所望の発光量が得られるように、ＬＥＤ素子１００の駆動電流の帰還点を定め、駆動電流の指令値を決定する。

たとえば、駆動電流決定部１５は、温度算出部１３により求められた周囲温度ＴａがＬＥＤ素子１００の動作周囲温度の上限値よりも低く、ＬＥＤ素子１００の輝度をさらに高める必要がある場合、駆動電流が増加するように指令値を決定する。また、駆動電流決定部１５は、周囲温度Ｔａが動作周囲温度の上限値に近づいた場合、駆動電流が減少するように指令値を決定する。駆動電流決定部１５は、Ｔａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９を参照することにより、周囲温度Ｔａをある温度に制限するときの最大許容電流Ｉｆｍａｘを求め、ＬＥＤ素子１００の駆動電流が最大許容電流Ｉｆｍａｘに近づくように指令値を決定することもできる。

帰還点決定部１４は、こうして得られた駆動電流の指令値をＤ／Ａ変換器１８を通してアナログ信号に変換した上で、定電流源２２に与える。定電流源２２は、ＬＥＤ素子１００に接続されており、ＬＥＤ素子１００の駆動電流を帰還点決定部１４から与えられた指令値にしたがって調節する。フィードバック制御により、ＬＥＤ素子１００の駆動電流は帰還点決定部１４により決定された帰還点に収束する。

図２（ａ）は、ＬＥＤ素子１００の光出力−順電流特性を示す図である。グラフ２００に示すように、ＬＥＤ素子１００の順方向電流Ｉｆを増やすと、ＬＥＤ素子１００の照度Ｅはほぼ直線的に上昇する。しかし、順方向電流Ｉｆの増加によりＬＥＤ素子１００の内部温度が上昇するため、順方向電流Ｉｆがある値Ｉ０を超えると、発熱により発光効率が急激に低下し、照度Ｅは飽和して、ＬＥＤ素子１００はそれ以上明るくならない。図２（ｂ）は、ＬＥＤ素子１００の順電圧−温度特性を示す図である。順方向電流Ｉｆをある値に固定した場合に、グラフ２０２に示すように、周囲温度Ｔａが上昇すると、順方向電圧Ｖｆはほぼ直線的に低下する。周囲温度Ｔａが動作周囲温度の上限値Ｔ０に達すると、発熱により発光効率の急激な低下が起こるため、順方向電圧Ｖｆには下限値Ｖ０が定まる。

図３は、ＬＥＤ素子１００の順電圧−周囲温度特性を順電流別に示す図である。第１のグラフ２０４は、順方向電流Ｉｆが１０ｍＡのＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆと周囲温度Ｔａの関係を示す。第２のグラフ２０６は、順方向電流Ｉｆが１ｍＡのＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆと周囲温度Ｔａの関係を示す。これらのグラフ２０４、２０６を用いれば、ＬＥＤ素子１００の順方向電流Ｉｆが既知であるときに、順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを読み取ることができる。

図４は、温度特性記憶部１６に記憶されるＶｆ−Ｔａテーブル１７の例を説明する図である。Ｖｆ−Ｔａテーブル１７には、図３に示したグラフ２０４、２０６にもとづいて、順方向電流Ｉｆ別に順方向電圧Ｖｆと周囲温度Ｔａの値の組が格納される。

図５は、ＬＥＤ素子１００の許容電流−周囲温度特性を示す図である。グラフ２０８は、ＬＥＤ素子１００の動作周囲温度の範囲内で、周囲温度Ｔａに対して、ＬＥＤ素子１００に流すことのできる最大許容電流Ｉｆｍａｘの値を与えるものである。周囲温度Ｔａをある温度に制限する場合、ＬＥＤ素子１００に駆動電流として与えることのできる最大の電流をこのグラフ２０８から読み取ることができる。グラフ２０８に示されるように、周囲温度Ｔａが２５℃以下では、最大許容電流Ｉｆｍａｘは１５ｍＡで、周囲温度Ｔａが２５℃から７５℃の範囲では、最大許容電流Ｉｆｍａｘは１５ｍＡから５ｍＡの範囲を取る。この例では、動作周囲温度の上限値Ｔ０は７５℃である。

図６は、温度特性記憶部１６に記憶されるＴａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９の例を説明する図である。Ｔａ−Ｉｆｍａｘテーブル１９には、図５で示したグラフ２０８にもとづいて、周囲温度Ｔａと最大許容電流Ｉｆｍａｘの値の組がそのときの順方向電圧Ｖｆの値とともに格納される。

本実施の形態の発光制御装置１０は、順方向電流Ｉｆ別に順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを読み取るためのＶｆ−Ｔａテーブル１７をあらかじめメモリに記憶しておくため、ＬＥＤ素子１００の周囲温度Ｔａを直接測定することなく、ＬＥＤ素子１００の順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを求めることができる。言い換えれば、発光制御装置１０では、ＬＥＤ素子１００は、発光素子であると同時に、順方向電圧Ｖｆから周囲温度Ｔａを得るための温度センサの役割も果たしていることになる。さらに、発光制御装置１０は、ＬＥＤ素子１００の動作周囲温度内で駆動電流の帰還点を定めるため、過電流による発熱でＬＥＤ素子１００の発光効率が低下するのを防止することができ、過電流リミッタとして作用する。

実施の形態２
図７は、実施の形態２に係る発光制御装置１０の構成図である。実施の形態１と同一の構成と動作については説明を省き、実施の形態１と異なる点を説明する。実施の形態１では、ＬＥＤ素子１００に定電流源２２を接続し、ＬＥＤ素子１００を直流駆動したが、本実施の形態では、ＬＥＤ素子１００と定電流源２２の間にＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）回路２４を設け、ＬＥＤ素子１００をパルス駆動する。

ＰＷＭ回路２４は、ＬＥＤ素子１００と定電流源２２の間を遮断または導通するスイッチ素子を含み、パルス信号によりスイッチ素子をオンオフ制御する。すなわちＰＷＭ回路２４が発生するパルス信号がＨレベルになると、スイッチ素子がオンになり、定電流源２２からＬＥＤ素子１００に駆動電流が供給され、パルス信号がＬレベルになると、スイッチ素子がオフになり、ＬＥＤ素子１００への駆動電流の供給は停止する。

ＰＷＭ回路２４の発生するパルス信号のＨレベルの期間が長くなり、パルス信号のデューティ比が大きくなれば、スイッチ素子がオンになる期間が長くなり、その結果、ＬＥＤ素子１００への駆動電流が増加し、ＬＥＤ素子１００の発光強度が上がる。逆にパルス信号のデューティ比が小さくなれば、ＬＥＤ素子１００への駆動電流が減少し、ＬＥＤ素子１００の発光強度が下がる。ＰＷＭ制御部２３は、帰還点決定部１４の駆動電流決定部１５により決定された駆動電流の指令値にもとづき、ＰＷＭ回路２４が発生するパルス信号のデューティ比を制御する。これにより駆動電流の調節を正確に行うことができる。

実施の形態３
図８は、実施の形態３に係る発光制御装置１０の構成図である。実施の形態１では、ＬＥＤ素子１００に定電流源２２を接続し、定電流源２２からＬＥＤ素子１００に供給される駆動電流を帰還点決定部１４によって調節したが、本実施の形態では、ＬＥＤ素子１００に定電圧源２６を接続し、定電圧源２６からＬＥＤ素子１００へ投入される駆動電圧が帰還点決定部１４によって調節され、それによってＬＥＤ素子１００の駆動電流が制御される。

実施の形態４
図９は、実施の形態４に係る発光制御装置１０の構成図である。本実施の形態では、ＬＥＤ素子１００と定電圧源２６の間にＰＷＭ回路２８を設け、ＬＥＤ素子１００と定電圧源２６の間を遮断または導通するスイッチ素子をパルス幅変調方式によりオンオフ制御することで、ＬＥＤ素子１００に供給する駆動電流を調節する。ＰＷＭ制御部２７は、帰還点決定部１４の駆動電流決定部１５により決定された駆動電流の指令値にもとづき、ＰＷＭ回路２８が発生するパルス信号のデューティ比を制御する。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、ＬＥＤ素子１００の輝度を重視し、輝度を上げるために、ＬＥＤ素子１００の発熱による発光効率の限界まで駆動電流を上げる制御を説明したが、リチウムイオン電池などの電池が消耗しないように、輝度は犠牲にして駆動電流を下げる方向に制御してもよい。特に携帯電話機やＰＤＡなどの携帯機器に搭載される発光素子の制御においては、電池の消費電力を節約することも重要であり、周囲温度Ｔａが動作周囲温度の上限に近づいている状況では、駆動電流を増やしても発光量は飽和して上昇しなくなるため、輝度をある程度犠牲にして、駆動電流を下げる制御を行うこともある。

実施の形態では、発光制御装置１０に接続する発光素子としてＬＥＤ素子を例に挙げたが、これは当然別の素子、例えば有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子などであってもよい。

実施の形態１に係る発光制御装置の構成図である。 図２（ａ）は、図１のＬＥＤ素子の順方向電流と照度の関係を示す図であり、図２（ｂ）は、ＬＥＤ素子の順方向電圧と周囲温度の関係を示す図である。 図１のＬＥＤ素子の順方向電圧と周囲温度の関係を順方向電流別に示す図である。 図１の温度特性記憶部に記憶される順方向電流と周囲温度の関係を示したテーブルの説明図である。 図１のＬＥＤ素子の周囲温度と最大許容電流の関係を示す図である。 図１の温度特性記憶部に記憶される周囲温度と最大許容電流の関係を示したテーブルの説明図である。 実施の形態２に係る発光制御装置の構成図である。 実施の形態３に係る発光制御装置の構成図である。 実施の形態４に係る発光制御装置の構成図である。

符号の説明

１０ 発光制御装置、 １２ Ａ／Ｄ変換器、 １３ 温度算出部、 １４ 帰還点決定部、 １５ 駆動電流決定部、 １６ 温度特性記憶部、 １７ Ｖｆ−Ｔａテーブル、 １８ Ｄ／Ａ変換器、 １９ Ｔａ−Ｉｆｍａｘテーブル、 ２２ 定電流源、 ２３、２７ ＰＷＭ制御部、 ２４、２８ ＰＷＭ回路、 ２６ 定電圧源、 １００ ＬＥＤ素子。

Claims (6)

1. 発光素子の順方向電圧に対する周囲温度の特性を示す順電圧対周囲温度テーブルを順方向電流別に記憶する温度特性記憶部と、
   制御対象の発光素子の順方向電圧を検出する順電圧検出部と、
   前記順電圧対周囲温度テーブルを参照することにより、検出された順方向電圧から前記発光素子の周囲温度を求める温度算出部と、
   前記温度算出部により求められた前記周囲温度にもとづいて、前記発光素子の駆動電流の指令値を決定する駆動電流決定部と、
   決定された指令値をもとに前記発光素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを含むことを特徴とする発光制御装置。
2. 前記駆動電流決定部は、前記温度算出部により求められる前記周囲温度が前記発光素子の動作周囲温度の範囲に収まるように、前記駆動電流の帰還点を設定することを特徴とする請求項１に記載の発光制御装置。
3. 前記温度特性記憶部は、前記発光素子の許容電流に対する周囲温度の特性を示す許容電流対周囲温度テーブルを記憶し、
   前記駆動電流決定部は、前記許容電流対周囲温度テーブルを参照することにより、前記温度算出部により求められる前記周囲温度を所定の値に制限するための前記発光素子の最大許容電流を求め、その最大許容電流をもとに前記駆動電流の前記指令値を決定することを特徴とする請求項１に記載の発光制御装置。
4. 前記駆動電流制御部は、前記発光素子に定電流を供給する定電流源と、前記発光素子と前記定電流源の間を遮断または導通するスイッチ素子をパルス幅変調によってオンオフ制御するパルス幅変調回路とを含み、前記指令値にもとづいたパルス信号のデューティ比により駆動電流を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光制御装置。
5. 前記駆動電流制御部は、前記発光素子に定電圧を印加する定電圧源と、前記発光素子と前記定電圧源の間を遮断または導通するスイッチ素子をパルス幅変調によってオンオフ制御するパルス幅変調回路とを含み、前記指令値にもとづいたパルス信号のデューティ比により駆動電流を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光制御装置。
6. 発光素子の順方向電圧を検出するステップと、
   前記発光素子の順方向電圧に対する周囲温度の特性を示す順電圧対周囲温度テーブルを参照することにより、検出された順方向電圧から前記発光素子の周囲温度を求めるステップと、
   求められた前記周囲温度にもとづいて、前記発光素子の駆動電流の帰還点を設定し、前記発光素子の駆動電流を制御するステップとを含むことを特徴とする発光制御方法。

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