JP2009054816A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】（１）半導体発光素子の立上がり、立下り時間を短縮し、（２）半導体発光素子の点灯直前の使用状況によらず、半導体発光素子の照度設定精度の高い光源装置を実現する。
【解決手段】定電流源から駆動電流を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置において、前記半導体発光素子の非点灯期間に、前記半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電圧よりも低い順電圧を発生させる順電圧発生手段を備えたことを特徴とする光源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、定電流源から駆動電流を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置に関するものである。

図６は従来の光源装置の一例を示す図である。

光源部１にＬＥＤ１１が配置されている。ＬＥＤは半導体発光素子の一例である。ＬＥＤ１１はケーブル３で駆動部２の定電流源２１に接続されている。ＬＥＤ１１は、定電流源２１から一定電流が供給されて点灯する。温度センサ１２はＬＥＤ１１の近傍に設けられており、ＬＥＤ１１近傍の外気温度を測定する。電圧計２２はＬＥＤ１１の両端に接続され、ＬＥＤ１１の順電圧を測定する。

ＬＥＤ１１の照度は、一定電流が供給されていても、ジャンクション温度の違いにより変化する。そこで、希望とする照度で点灯させるためには、以下の制御を行う。

初期状態においては、ジャンクション温度と外気温度が平衡状態である。そのため、希望とする照度と温度センサ１２で測定される外気温度とから決定される順電流をＬＥＤ１１へ供給し、最初の点灯が実行される。

次に、点灯したＬＥＤ１１を希望とする照度で長時間安定させるために、電圧計２２で順電圧を測定し、ＬＥＤ１１の順電圧の変化を検出する。そして、ＬＥＤ１１の順電圧の変化に伴い、この順電圧の変化を打ち消すように順電流を変化させる。これは、定電流制御でＬＥＤ１１を点灯させているため、ジャンクション温度の変化が順電圧の変化として表れるためである。

上記制御でＬＥＤ１１へ供給する順電流は、事前に測定した照度、外気温度、順電圧、順電流のデータに基づいて決定される。

特開平２００２−３１４０５４号公報

しかしながら、このような光源装置では以下のような問題がある。

（１）ＬＥＤ１１は数μＡという微小電流から点灯する。一方、ケーブル３は光源装置の構成上、１０ｍ以上となる場合もある。ＬＥＤ１１をこのような微小電流で点灯させる場合、ＬＥＤ１１やケーブル３、駆動回路の容量が無視できなくなり、ＬＥＤ１１の立上り、立下り時間が遅くなってしまう。

（２）従来は、ＬＥＤ１１の温度と順電流が同じであれば、点灯直後の照度も同じになると考えられていた。しかし、ＬＥＤ１１の点灯前の使用状況によって点灯直後の照度は常に同じとはならず、ばらついてしまう。そのため、最初の点灯時に、希望とする照度で点灯できない場合がある。

図７は、ＬＥＤの順電圧を測定した結果を示す図である。本図は、あるＬＥＤを順電流および外気温度一定のもとでＯＮ／ＯＦＦさせ、点灯直後の順電圧を繰り返し測定した結果（１０パターン）である。すなわち、ひとつのＬＥＤの個体に対し点灯直前の使用状況を変えて測定した結果である。
点灯直後の順電圧は約７ｍＶのばらつきが見られる。これは、照度に換算すると約１０％となり、大きなばらつきとなる。

本発明は、上記のような従来装置の問題をなくし、（１）半導体発光素子の立上がり、立下り時間を短縮することができる光源装置を実現することを目的としたものである。また、（２）半導体発光素子の点灯直前の使用状況によらず、半導体発光素子の照度設定精度の高い光源装置を実現することを目的としたものである。

上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、定電流源から駆動電流を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置において、
前記半導体発光素子の非点灯期間に、前記半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電圧よりも低い順電圧を発生させる順電圧発生手段を備えたことを特徴とする。

請求項２では、請求項１に記載の光源装置において、
前記半導体発光素子の順電圧を測定する電圧計と、
前記半導体発光素子の温度を測定する温度センサと、
前記電圧計と前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電流を決定する順電流決定手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項３では、請求項２に記載の光源装置において、
前記順電流決定手段は、前記半導体発光素子の点灯直前における前記電圧計および前記温度センサの測定結果を使用することを特徴とする。

請求項４では、請求項２または３に記載の光源装置において、
前記順電流決定手段は、前記電圧計および前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子の点灯直後における順電圧を予測し、予測した順電圧および前記半導体発光素子の目標照度に基づいて前記半導体発光素子の順電流を決定することを特徴とする。

請求項５では、請求項１乃至４のいずれかに記載の光源装置において、
前記順電圧発生手段は、前記定電流源または定電圧源であることを特徴とする。

請求項６では、定電圧源から駆動電圧を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置において、
前記半導体発光素子の非点灯期間に、前記半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電流よりも低い順電流を発生させる順電流発生手段を備えたことを特徴とする。

請求項７では、請求項６に記載の光源装置において、
前記半導体発光素子の順電流を測定する電流計と、
前記半導体発光素子の温度を測定する温度センサと、
前記電流計と前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電圧を決定する順電圧決定手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項８では、請求項７に記載の光源装置において、
前記順電圧決定手段は、前記半導体発光素子の点灯直前における前記電流計および前記温度センサの測定結果を使用することを特徴とする。

請求項９では、請求項７または８に記載の光源装置において、
前記順電圧決定手段は、前記電流計および前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子の点灯直後における順電流を予測し、予測した順電流および前記半導体発光素子の目標照度に基づいて前記半導体発光素子の順電圧を決定することを特徴とする。

請求項１０では、請求項６乃至９のいずれかに記載の光源装置において、
前記順電流発生手段は、前記定電圧源または定電流源であることを特徴とする。

このように、半導体発光素子の非点灯期間に、半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電圧よりも低い順電圧を発生させることにより、ケーブル等の充電に費やされる時間が省略され、半導体発光素子の立上がり、立下り時間を短縮することができる光源装置を実現することができる。

さらに、半導体発光素子の順電圧と温度に基づいて半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電流を決定することにより、半導体発光素子の点灯直前の使用状況によらず、半導体発光素子の照度設定精度の高い光源装置を実現することができる。

また、順電流の決定にあたり半導体発光素子の点灯直前における順電圧および温度の測定結果を使用すれば、より精度良く半導体発光素子の順電流を決定することができる。

順電流を決定する際には、まず半導体発光素子の順電圧および温度に基づいて点灯直後の順電圧を予測し、この順電圧の予測値に基づいて半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電流を決定するようにしてもよい。

順電圧発生手段は、半導体発光素子に駆動電流を供給する電流源を利用してもよいし、別途設けられた定電圧源であってもよい。

また、請求項１から請求項５に記載の発明において電流と電圧の概念を逆にすれば、半導体発光素子を定電流駆動する場合だけでなく、定電圧駆動する場合においても対応することができる。
請求項６から１０に記載の発明によれば、半導体発光素子を定電圧駆動する場合においても、（１）半導体発光素子の立上がり、立下り時間を短縮することができる光源装置、（２）半導体発光素子の点灯直前の使用状況によらず、半導体発光素子の照度設定精度の高い光源装置を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明の光源装置を説明する。

図１は本発明による光源装置の一実施例を示す図である。図５の従来例と同じ構成要素には同じ符号を付す。

２３は、ＬＥＤ１１に所定の順電圧を発生させる順電圧発生手段である。本実施例においては、順電圧発生手段２３として、定電流源２１とは別に設けられた定電圧源を用いている。

定電流源２１および順電圧発生手段２３と、ＬＥＤ１１の間には切り替え手段ＳＷが設けられている。切り替え手段ＳＷにより、ＬＥＤ１１の接続先を定電流源２１と順電圧発生手段２３との間で切り替え可能な構成とする。
なお、切り替え手段ＳＷは、定電流源２１および順電圧発生手段２３のそれぞれの前段に別個に設けられていてもよい。その場合には、定電流源２１または順電圧発生手段２３の一方がＬＥＤ１１に接続されているときは、他方は非接続となるように制御する。

切り替え手段ＳＷが定電流源２１側に切り替えられている場合には、ＬＥＤ１１には定電流源２１によって制御された一定電流が流れる。
切り替え手段ＳＷが順電圧発生手段２３側に切り替えられている場合には、順電圧発生手段２３により制御された電位がＬＥＤ１１のカソード側に与えられる。順電圧発生手段２３は、ＬＥＤ１１のカソード側の電位を調整することにより、ＬＥＤ１１に所定の順電圧を発生させる。

ＬＥＤ１１の非点灯期間中は、切り替え手段ＳＷが順電圧発生手段２３側に切り替えられ、ＬＥＤ１１に所定の順電圧が印加された状態とする。ＬＥＤ１１に印加される順電圧の大きさは、ＬＥＤ１１が点灯しないレベルの範囲内（以下「非点灯順電圧」という。）とする。
なお、非点灯順電圧は、ＬＥＤ１１の非点灯期間中常に印加された状態としてもよいし、ＬＥＤ１１の点灯直前から印加されるようにしてもよい。

ＬＥＤ１１の点灯前に非点灯順電圧を印加することにより、ＬＥＤ１１やケーブル３、駆動回路の容量があらかじめ充電された状態となる。

ＬＥＤ１１を点灯させる際は、ＬＥＤ１１に非点灯順電圧が印加された状態から、切り替え手段ＳＷを定電流源２１側へ切り替え、ＬＥＤ１１に希望とする照度で点灯させるのに必要な順電流を流す。

ＬＥＤ１１の点灯に先立ってＬＥＤ１１に非点灯順電圧を印加しておくことにより、ＬＥＤ１１を点灯させる際に必要となる、ＬＥＤ１１やケーブル３、駆動回路の容量への充電電圧を減らすことができる。その結果、ＬＥＤ１１の立上がり時間を短縮することができる。

非点灯順電圧の大きさは、ＬＥＤ１１が点灯開始する順電圧値に近いことが望ましい。点灯直前に印加されている順電圧が大きいほど、ケーブル３等の充電が十分にされ、また、点灯後に希望とする照度に対応する順電圧に達するまでの時間が短くなることが見込まれる。

従来の光源装置と本発明による光源装置とでＬＥＤ１１の立上がり時間を比較する。
半導体発光素子とケーブルおよび駆動回路の容量を２０００ｐＦとする。
半導体発光素子の点灯直後の順電流を１０μＡとする。
半導体発光素子の点灯直前の非点灯順電圧を１．５Ｖ、点灯直後の順電圧を２Ｖとする。

（従来の光源装置）ＬＥＤ１１に非点灯順電圧の印加がない場合の立上り時間：
ｄｔ＝２０００ｐＦ×２Ｖ÷１０μＡ＝０．４ｍｓｅｃ …式１
（本発明による光源装置）ＬＥＤ１１に非点灯順電圧の印加がある場合の立上り時間：
ｄｔ＝２０００ｐＦ×（２Ｖ−１．５Ｖ）÷１０μＡ＝０．１ｍｓｅｃ …式２

式１および式２より、本発明による光源装置は、従来の光源装置と比較してＬＥＤの立上がり時間が７５％速くなる。

図２はＬＥＤ１１の点灯直後の順電圧の測定結果の一例を示す図である。図中Ｌ１は本発明の光源装置（非点灯順電圧の印加あり）の測定結果、Ｌ２は従来の光源装置（非点灯順電圧の印加なし）の測定結果である。

図２より、点灯開始から３ｓｅｃ後の順電圧は十分安定している。そこで、３ｓｅｃ後の順電圧と２９ｍｓｅｃ後の順電圧との誤差から、Ｌ１とＬ２の立上がり特性を比較する。
Ｌ１：（２．３２５１Ｖ÷２．３２８６Ｖ−１）×１００≒−０．２％ …式３
Ｌ２：（２．３０３３Ｖ÷２．３２８６Ｖ−１）×１００≒−１．１％ …式４
式３および式４より、本発明のＬ１の方が約０．９％立上がりが速くなる。

また、Ｌ１とＬ２の立上がり特性の差を照度で比較する。
２９ｍｓｅｃ時点のＬ１とＬ２の順電位差は、
２．３２５１Ｖ−２．３０３３Ｖ＝２１．８ｍＶ …式５
ＬＥＤによっては順電圧の変化１ｍＶにつき照度は約１．５％変化する。Ｌ１とＬ２の電位差分だけ立上がりが改善されたとして、式５を照度変化率へ変換すると、
２１．８ｍＶ×１．５％＝３２．７％ （照度変化率：１．５％／１ｍＶ） …式６
式６より、照度では約３２．７％立上がりが速くなり、非常に大きな効果が得られる。

ここまでは順電圧の立上がり時間の短縮について説明した。逆に、目標とする照度になるように順電流を流し、その状態から任意の順電圧が印加されるように順電流を流すことにより、順電圧の立下り時間を短縮することもできる。

本実施例では、順電圧発生手段として定電流源２１とは別に設けられた定電圧源を示したが、定電流源２１で順電圧発生手段を兼ねる構成としてもよい。常時定電流源２１をＬＥＤ１１と接続し、ＬＥＤ１１の点灯に先立ってＬＥＤ１１が点灯しない程度の一定電流を供給しておくことにより、ＬＥＤ１１点灯時の立上がり時間を短縮することができる。

また、本実施例では半導体発光素子としてＬＥＤを用いたが、本発明はＰＮ接合で構成されるダイオード、フォトダイオード等の立上り、立下り時間の短縮にも利用可能である。

図３は、ＬＥＤの外気温度を一定とし、ＬＥＤの点灯直前の順電圧と点灯直後の順電圧の関係を測定した結果である。図３（ａ）は測定結果の全体を示す図、図３（ｂ）は以下の式により計算した順電圧のばらつきを示す図である。
順電圧のばらつき＝（Ｖｆ２−Ｖｆ３）÷Ｖｆ３×１００
Ｖｆ２：点灯直後の順電圧実測値
Ｖｆ３：図３（ａ）のデータから求めた回帰直線上の点灯直後の順電圧

図３（ｂ）より、点灯直後の順電圧のばらつきは０．０３％以下であり、照度に換算すると約１％程度である。

図７より、ＬＥＤの点灯直後の順電圧は、点灯前のＬＥＤの使用状況によりばらつき、その結果ＬＥＤの照度もばらついてしまう。しかし、図３より、点灯直前に測定した順電圧と点灯直後に測定した順電圧は一定の関係にある。そのため、点灯直前の順電圧が分かれば、点灯直後の順電圧を予測することができる。

また、図４は、図３の測定において外気温度を変化させたときの測定結果である。図４（ａ）は測定した点灯直後の順電圧を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）の測定時の外気温度である。図４より、点灯直後の順電圧はＬＥＤの外気温度によっても変化することがわかる。

以上より、ＬＥＤの点灯直前の順電圧および外気温度がわかれば、ＬＥＤを希望の照度で点灯させるための順電流を求めることができる。これにより、点灯直後からＬＥＤを希望の照度で点灯させることが可能となる。

図５は本発明による光源装置の他の実施例を示す図である。本実施例は、前記実施例１に順電流決定手段２４を追加した構成となっている。

ＬＥＤ１１の非点灯期間中、切り替え手段ＳＷは順電圧発生手段２３側に切り替えられ、ＬＥＤ１１に非点灯順電圧が印加される。
電圧計２２は、ＬＥＤ１１の非点灯期間における順電圧を検出し、順電流決定手段２４に出力する。同様に、温度センサ１２はＬＥＤ１１の非点灯期間におけるＬＥＤ１１近傍の外気温度を検出し、順電流決定手段２４に出力する。

なお、温度センサ１２はＬＥＤ１１のジャンクション温度を測定するのが理想的ではあるが、現実的にはジャンクション温度の測定は困難である。そのため、温度センサ１２はＬＥＤ１１の外気温度の測定で代替する。

順電流決定手段２４は、ＬＥＤ１１の点灯直前の電圧計２２および温度センサ１２の出力に基づいて、点灯直後の順電圧を予測する。点灯直後の順電圧は、事前に測定した点灯直前の順電圧、点灯直後の順電圧および外気温度の特性データに基づいて予測する。
点灯直後の順電圧の予測には特性データに基づいて作成されたテーブルを用いてもよいし、関数を用いて算出するようにしてもよい。

順電流決定手段２４は、予測した点灯直後の順電圧およびＬＥＤ１１の目標照度に基づいて、ＬＥＤ１１に流すべき順電流を決定する。順電流決定手段２４は、決定した順電流の値を示す指示信号を定電流源２１に出力する。
順電流の値は、事前に測定した順電流、順電圧および照度の特性データに基づいて予測する。順電流の予測には、特性データに基づいて作成されたテーブルを用いてもよいし、関数を用いて算出するようにしてもよい。

ＬＥＤ１１の点灯時には、切り替え手段ＳＷが定電流源２１側に切り替えられる。定電流源２１は、順電流決定手段２４の指示信号に従ってＬＥＤ１１に流す順電流を調整する。これにより、ＬＥＤ１１を点灯直後から希望とする照度で発光させることができる。

本発明によれば、点灯直後の順電圧のばらつきを０．０３％以下、照度に換算すると約１％程度にすることができる（図３）。従来例において、照度で約１０％のばらつき（図７）であったのと比較すると、約９％ばらつきが改善し、非常に大きな効果が得られる。

なお、前記実施例１および本実施例では、ＬＥＤ１１を定電流駆動することを前提としている。しかし、前記実施例１と本実施例において電流と電圧の概念を逆にすれば、半導体発光素子を定電流駆動する場合だけでなく、定電圧駆動する場合においても対応することができる。

図１は本発明による光源装置の一実施例を示す図。 図２はＬＥＤ１１の点灯直後の順電圧の測定結果の一例を示す図である。 図３はＬＥＤの点灯直前の順電圧と点灯直後の順電圧の関係の測定結果を示す図（外気温度一定）。 図４は、図３の測定において外気温度を変化させたときの測定結果を示す図。 図５は本発明による光源装置の他の実施例を示す図。 図６は従来の光源装置の一例を示す図。 図７は、ＬＥＤの順電圧を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１ 光源部
１１ ＬＥＤ
１２ 温度センサ
２ 駆動部
２１ 定電流源
２２ 定電圧源
２３ 順電圧発生手段
２４ 順電流決定手段
３ ケーブル
ＳＷ 切り替え手段

Claims (10)

1. 定電流源から駆動電流を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置において、
   前記半導体発光素子の非点灯期間に、前記半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電圧よりも低い順電圧を発生させる順電圧発生手段を備えたことを特徴とする光源装置。
2. 前記半導体発光素子の順電圧を測定する電圧計と、
   前記半導体発光素子の温度を測定する温度センサと、
   前記電圧計と前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電流を決定する順電流決定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記順電流決定手段は、前記半導体発光素子の点灯直前における前記電圧計および前記温度センサの測定結果を使用することを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記順電流決定手段は、前記電圧計および前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子の点灯直後における順電圧を予測し、予測した順電圧および前記半導体発光素子の目標照度に基づいて前記半導体発光素子の順電流を決定することを特徴とする請求項２または３に記載の光源装置。
5. 前記順電圧発生手段は、前記定電流源または定電圧源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光源装置。
6. 定電圧源から駆動電圧を供給されて発光する半導体発光素子を用いた光源装置において、
   前記半導体発光素子の非点灯期間に、前記半導体発光素子にその半導体発光素子が点灯開始する電流よりも低い順電流を発生させる順電流発生手段を備えたことを特徴とする光源装置。
7. 前記半導体発光素子の順電流を測定する電流計と、
   前記半導体発光素子の温度を測定する温度センサと、
   前記電流計と前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子を目標照度で発光させるための順電圧を決定する順電圧決定手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記順電圧決定手段は、前記半導体発光素子の点灯直前における前記電流計および前記温度センサの測定結果を使用することを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記順電圧決定手段は、前記電流計および前記温度センサの測定結果に基づいて前記半導体発光素子の点灯直後における順電流を予測し、予測した順電流および前記半導体発光素子の目標照度に基づいて前記半導体発光素子の順電圧を決定することを特徴とする請求項７または８に記載の光源装置。
10. 前記順電流発生手段は、前記定電圧源または定電流源であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の光源装置。