JP2007129062A - Ｌｅｄ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ光源の面内で発光輝度・発光スペクトルの分布が均一であり、且つ効率的に多数のＬＥＤ素子を同時に点灯制御できるＬＥＤ光源装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子１２に並列に接続された抵抗１３を備え、抵抗１３は、ＬＥＤ素子１２の輝度または発光スペクトルを一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されている。また、複数のＬＥＤ素子が直列接続されたＬＥＤ列と、該ＬＥＤ列の一端に直列接続された抵抗とからなるＬＥＤ直列接続列を、複数列並列に接続したＬＥＤ光源装置であって、抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流を流した時に一定の電圧Ｖｃが得られるように、トリミングにより抵抗値が調整されたものである。そして、前記ＬＥＤ直列接続列を並列接続した直並列回路に、前記一定の電流を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ２４，２５を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば平板状の面に、多数のＬＥＤ素子をマトリクス状に配置した、面状の光源であるＬＥＤ光源装置に関する。

近年、ＬＥＤ素子の高輝度化から、多数のＬＥＤ素子を例えば平板状の面に配置し、同時に点灯することで、かなりの光量が得られる。このようなＬＥＤ光源装置を用い、人工太陽光として野菜等の植物を育成することが試みられている（特許文献１，２，３）。また、多数のＬＥＤ素子を筒状の容器内に配置し、生体細胞に光を照射することで、医療に用いることが検討されている（特許文献４）。また、液晶表示装置では、バックライト光源として、ＬＥＤ光源装置を用いることで、薄型化、高効率化、高信頼性化が期待される。

特開平８−８９０８４号公報 特開平９−２５２６５１号公報 特開平１０−１７８８９９号公報 特表平１０−５０３１０９号公報

上記ＬＥＤ素子を多数配列した面状の光源では、面内で発光輝度、発光スペクトルの分布が均一であることが望まれている。また、多数のＬＥＤ素子を配線接続して、面状の光源を形成するため、効率的に多数のＬＥＤ素子を同時に点灯制御できる必要がある。しかしながら、ＬＥＤ素子は、製造時に所定の電流に対する輝度のバラツキが大きく、このため、輝度を分類し、ランク分けして出荷しているという事情がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、ＬＥＤ光源の面内で発光輝度・発光スペクトルの分布が均一であり、且つ効率的に多数のＬＥＤ素子を同時に点灯制御できるＬＥＤ光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＬＥＤ光源装置は、多数のＬＥＤ素子を配置したＬＥＤ光源装置であって、前記ＬＥＤ素子に並列に接続された抵抗を備え、前記抵抗は、前記ＬＥＤ素子の輝度または発光スペクトルを一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されたものであることを特徴とするものである。これにより、前記ＬＥＤ素子と抵抗の並列接続回路に一定電流を供給することで、光源の面内で輝度またはスペクトルの分布を均一にすることができる。

ＬＥＤ素子は電流素子である。点灯駆動は、定電流源による方式と、ＬＥＤ素子に直列に抵抗器を挿入して定電圧源による方式とがある。ここでは、定電流源について述べる。定電流源は直列にＬＥＤ素子を多数並べて駆動できるが、それぞれのＬＥＤ素子の順方向立ち上がり電圧（Ｖｆ）のバラツキにより輝度またはスペクトル分布が異なるという欠点が生じる。本発明によれば、この欠点を克服することができる。

また、本発明のＬＥＤ光源装置は、複数のＬＥＤ素子が直列接続されたＬＥＤ列と、該ＬＥＤ列の一端に直列接続された抵抗とからなるＬＥＤ直列接続列を、複数列並列に接続したＬＥＤ光源装置であって、前記抵抗は、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流を流した時に一定の電圧が得られるように、トリミングにより抵抗値が調整されたものである。そして、前記ＬＥＤ直列接続列を並列接続した直並列回路に、ＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流を供給する。

上記本発明によれば、各ＬＥＤ直列接続列には一定電流が流れ、光源の面内で輝度の分布を均一にすることができる。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータからパルス幅変調した一定電圧を上記直並列回路に供給することで、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流が供給され、殆ど無損失で光源の面内での輝度分布の均一性を保ちつつ、明るさを制御することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態のＬＥＤ光源装置を示す。平面状の基板１１には、多数のＬＥＤ素子１２がマトリクス状に配置されている。ＬＥＤ素子１２は、白色、赤色、緑色、青色、等の発光色を有し、所定の電流を流すことで発光する。以下の説明では、白色、赤色、緑色、または青色のいずれか一色のＬＥＤ素子１２を基板１１上に配置し、これらを均一の輝度またはスペクトルで発光させる例について説明するが、例えば、赤色、緑色、および青色のＬＥＤ素子を配置し、各色毎に駆動回路を備えることで、白色を含む各種色相の光を合成するＬＥＤ光源装置としてもよい。

図１に示すＬＥＤ光源装置では、各ＬＥＤ素子１２には、均一な電流が流れ、均一な輝度で発光する。しかしながら、上述したように、ＬＥＤ素子１２は、製造時に一定電流に対する輝度のバラツキが大きく、このため、輝度を分類し、ランク分けして出荷するという事情がある。そこで、本発明のＬＥＤ光源装置では、図２に示すように、ＬＥＤ素子１２のアノードとカソードに並列に接続した抵抗１３を備え、抵抗１３は、所定電流に対してＬＥＤ素子１２の輝度または発光波長のスペクトル分布を一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されたものである。

例えば、図３に示すように、セラミック基板１４の表面側にＬＥＤ素子１２をマウントし、裏面側に抵抗１３をマウントし、表裏面に跨る電極１７により両者を並列接続している。抵抗１３は、トリミング溝１３ａを形成することで、抵抗値の調整が可能となっている。

抵抗１３のトリミングは、ＬＥＤ素子１２と抵抗１３の並列接続回路に所定電流（例えば２０ｍＡ）を流し、フォトダイオード１５を含むセンサ１６で受光光量を計測しつつ行われる。すなわち、所定電流を流しつつ抵抗１３をトリミングすることで、抵抗１３の抵抗値が上昇し、抵抗１３に流れる電流が減少し、ＬＥＤ素子１２に流れる電流が増大し、ＬＥＤ素子１２の輝度は増加していく。従って、ＬＥＤ素子１２の輝度が所定値に到達したときに、トリミングを停止することで、抵抗１３が並列接続されたＬＥＤ素子１２の輝度を所定値に揃えることができる。

ＬＥＤ素子は、発光スペクトルのピーク波長が温度変化によって変化する。温度が変化すると、赤色、緑色、青色光を混合して作る白色光、または青色光を蛍光体でスペクトル変換して作る白色光のスペクトルのピーク波長が変化する。発光スペクトルのピーク波長の変化は、ＬＥＤ素子１２に並列接続した抵抗１３に流れる電流をトリミングにより調整することで、ＬＥＤ１２に流れる電流が調整され、ＬＥＤ素子の発光スペクトルのピーク波長を調整することができる。

ＬＥＤ素子の発光スペクトルのピーク波長の調整は、図２に示す受光光量のセンサ１６に代えて、スペクトル分析器を用いることによって行える。すなわち、並列接続した抵抗１３の抵抗値をトリミングで調整しつつ、スペクトル分析器によりピーク波長の変化を観察し、所定のピーク波長に調整できた時点でトリミングを停止することで、所望の発光スペクトルを有するＬＥＤ素子１２が得られる。

図４は、複数のＬＥＤ素子が直列接続されたＬＥＤ列を示す。ここで、各ＬＥＤ素子１２は並列に接続された抵抗１３を備え、抵抗１３はＬＥＤ素子１２の輝度または発光スペクトルを一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されたものである。例えば、定格電流２０ｍＡを流した時に、輝度が一定となるように調整されている。従って、ＬＥＤ素子の製造時に定格電流２０ｍＡを流した時の輝度にバラツキが有っても、すべてのＬＥＤ素子１２は並列接続した抵抗１３のトリミングにより輝度が一定に調整されているので、ＬＥＤ列のすべてのＬＥＤ素子１２に均一な輝度が得られる。

図５は、本発明の第１実施形態の直並列回路を示す。これは、複数のＬＥＤ素子１２が直列接続されたＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの一端に、電圧調整用抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅが直列接続され、この電圧調整用抵抗とＬＥＤ列の直列接続であるＬＥＤ直列接続列を、複数列並列に接続したＬＥＤ光源装置である。ＬＥＤ素子１２には、上述したように抵抗１３が並列接続され、ＬＥＤ素子１２の輝度または発光スペクトルを一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されたものである。

電圧調整用抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅは、ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅのそれぞれに、所定電流（例えば２０ｍＡ）を流した時に、電圧調整用抵抗とＬＥＤ列の合計電圧として一定電圧（Ｖｃ）が得られるように、トリミングにより抵抗値が調整されている。これは、ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅでは、ＬＥＤ素子１２の順方向電圧がそれぞれ微妙に異なるため、全体としての合計順方向電圧が異なったものとなる。そこで、電圧調整用抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅを、ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅのそれぞれに接続し、所定電流（例えば定格電流２０ｍＡ）を流した時に、ＬＥＤ列の合計順電圧と電圧調整用抵抗の電圧との和である一定電圧（Ｖｃ）が得られるように調整する。

これにより、直並列回路に一定電圧（Ｖｃ）を印加した時に、各ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅのそれぞれに、一定電流（例えば定格電流２０ｍＡ）を供給することができる。そして、各ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅでは、一定電流（例えば２０ｍＡ）を流した時に、各ＬＥＤ素子が一定の輝度となるように調整されているので、すべてのＬＥＤ素子１２を均一な輝度で点灯することができる。なお、電圧調整用抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅは、各ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの合計順方向電圧のバラツキを調整するためのものであるので、なるべく小さな抵抗値の抵抗を用い、この抵抗での電力損失を最小限に抑えるべきである。

図６は、本発明の第２実施形態の直並列回路を示す。この実施形態では、ＬＥＤ素子１９は所定電流に対する輝度が予め一定範囲に入るようにランク分けされたものを用いる。このため、並列抵抗１３を備えないが、所定電流に対して略一定の輝度が得られる。そして、電圧調整用抵抗１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは、各ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの合計順方向電圧のバラツキを調整し、一定の供給電圧（Ｖｃ）により各ＬＥＤ列に一定の電流（例えば２０ｍＡ）が流れるように調整されている。このため、一定電圧（Ｖｃ）を直並列回路に供給することで、各ＬＥＤ列ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆに一定電流（例えば２０ｍＡ）を供給することができ、すべてのＬＥＤ素子を略均一の輝度で点灯することができる。

図７は、上記直並列回路の駆動回路例を示す。商用交流電源２１は、ＡＣ１００Ｖまたは２００Ｖの電源であり、これを全波整流回路２２で整流し、コンデンサなどからなる平滑回路２３で平滑化することで、第１のＤＣ電圧Ｖｂが得られる。そして、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ２４により、降圧して、上記各ＬＥＤ列に一定電流（例えば２０ｍＡ）が流れるＤＣ電圧Ｖｃを形成する。

光源の光量制御は、第２段ＤＣ−ＤＣコンバータ２５の電力素子をパルス幅変調制御信号に従って、オンオフ制御することにより行われる。すなわち、ＬＥＤ素子をパルス点灯し、パルス幅により明るさを制御する。図８に示すように、１サイクル時間Ｔの内、直並列回路３０にＤＣ電圧（Ｖｃ）を供給する時間ｔ_ＯＮを任意に設定し、その間に直並列回路全体のＬＥＤ素子に均一な電流が流れ、時間ｔ_ＯＦＦでは電流が流れないため、光源全体の光量を任意に制御することができる。そして、上記光量の制御は、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力素子のオンオフ制御により行えるので、点灯率１００％から０％迄の制御を、殆ど無損失で行える。

この駆動回路においては、電流設定器２６を備え、ＬＥＤ素子１９に流す実際平均電流を任意に設定できる。実際平均電流の設定値から、上記ＤＣ−ＤＣコンバータ２５に入力するパルス幅変調信号が決められる。また、直並列回路３０に直列に電流検出用抵抗器２７とその出力を平滑化する平滑回路２８を備える。電流検出用抵抗器２７を備え、パルス幅変調制御された矩形波状の直並列回路３０に流れる電流を検出し、平滑回路２８で平滑化することで、実際平均電流Ｉが得られる。これと電流設定器２６の設定電流Ｉ^＊とを比較器２９で比較し、制御器３１で比較結果が一致する（差ΔＩがゼロとなる）ようにパルス幅変調信号にフィードバック制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４を駆動することで、出力電圧Ｖｃを調整し、実際平均電流を設定電流に一致させることができる。

従って、上記駆動回路を用いることで、上記直並列回路３０に設定電流を流す電圧Ｖｃが自動的に形成され、各ＬＥＤ列は電圧調整用抵抗により一定電流に対して合計電圧が一定となるように調整されているので、各ＬＥＤ列に均一な電流が流れ、各ＬＥＤ素子を、設定電流に従って均一に点灯させることができる。このため、例えば図１に示すＬＥＤパネルの全面を均一に発光制御することができる。そして、駆動回路はＤＣ−ＤＣコンバータの電力素子のオンオフ制御によるパルス幅変調制御で、供給電圧Ｖｃを形成し、点灯パルス幅を制御するので、殆ど無損失で効率的にすべてのＬＥＤ素子を点灯制御することができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

ＬＥＤパネルを示す平面図である。 ＬＥＤ素子に並列接続した抵抗のトリミングによるＬＥＤ輝度の調整を示す図である。 ＬＥＤ素子と抵抗が並列接続したデバイス構造例を示す斜視図であり、（ａ）は表面（ＬＥＤ）側を示し、（ｂ）は裏面（抵抗）側を示す。 ＬＥＤ素子と抵抗の並列回路を直列接続したＬＥＤ列を示す図である。 第１の実施形態の直並列回路を示す図である。 第２の実施形態の直並列回路を示す図である。 上記直並列回路の駆動回路を示す図である。 上記直並列回路への供給電圧パターン例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１１ 基板
１２，１９ ＬＥＤ素子
１３ 抵抗
１３ａ トリミング溝
１４ セラミック基板
１５ フォトダイオード
１６ センサ
１７ 電極
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ 電圧調整用抵抗
２１ 商用交流電源
２２ 全波整流回路
２３ 平滑回路
２４，２５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２６ 電流設定器
２７ 電流検出用抵抗器
２８ 平滑回路
２９ 比較器
３０ 直並列回路
３１ 制御器
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ ＬＥＤ列

Claims (3)

1. 多数のＬＥＤ素子を配置したＬＥＤ光源装置であって、
   前記ＬＥＤ素子に並列に接続された抵抗を備え、
   前記抵抗は、前記ＬＥＤ素子の輝度または発光スペクトルを一定とするように、トリミングにより、抵抗値が調整されたものであることを特徴とするＬＥＤ光源装置。
2. 複数のＬＥＤ素子が直列接続されたＬＥＤ列と、該ＬＥＤ列の一端に直列接続された抵抗とからなるＬＥＤ直列接続列を、複数列並列に接続したＬＥＤ光源装置であって、
   前記抵抗は、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流を流した時に一定の電圧が得られるように、トリミングにより抵抗値が調整されたものであることを特徴とするＬＥＤ光源装置。
3. 前記ＬＥＤ直列接続列を並列接続した直並列回路に、ＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、それぞれのＬＥＤ直列接続列に一定の電流を供給することを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ光源装置。

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