JP4957024B2

JP4957024B2 - 発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法

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Publication number: JP4957024B2
Application number: JP2006064742A
Authority: JP
Inventors: 康弘國▲崎▼
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: JP2007242477A

Description

本発明は、ＬＥＤやＬＤ等の発光素子を備える発光装置、及び発光素子を駆動するための駆動回路、並びにこれを駆動する駆動方法に関する。

発光素子に半導体素子を用いた発光装置は、小型で電力効率が良く鮮やかな色の発光をする。また、半導体素子である発光素子は球切れ等の心配がない。さらに初期駆動特性が優れ、振動やオン・オフ点灯の繰り返しに強いという特徴を有する。このような優れた特性を有するため、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）、レーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）等の半導体発光素子を用いる発光装置は、各種の光源として利用されている。特に、ＧａＮ系化合物半導体を利用した高輝度の青色発光のＬＥＤが開発された結果、光の三原色である赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）のＬＥＤが揃い、これらの組み合わせによってフルカラー発光、あるいは白色発光可能なディスプレイや照明が実現されるに至った。白色光は、照明やバックライトとしての用途が多く、その一つとして液晶のバックライト用光源としての利用のための研究が進められている。

ＲＧＢのＬＥＤを組み合わせて得られる白色光を液晶バックライト用光源として使用する場合、従来のバックライト光源であるＣＣＦＬ（Cold-Cathode Fluorescent Lamp：冷陰極蛍光灯）と比較して一般に効率が悪く、消費電力が大きいという問題がある。

この問題を、図３に示すＬＥＤ駆動回路３００に基づいて説明する。図３に示すＬＥＤ駆動回路３００は、駆動対象であるＬＥＤ３１１と、これらのＬＥＤ３１１の点灯を制御する駆動用素子３２３と、駆動用素子３２３のＯＮ／ＯＦＦを制御するオペアンプ３２４と、抵抗３２５で構成される。ＬＥＤ駆動回路３００は複数のＬＥＤ３１１を直列に接続し、さらに駆動用素子３２３としてＭＯＳＦＥＴを直列に接続している。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極側をＬＥＤ３１１のカソードに接続し、ゲート電極側をオペアンプ３２４の出力側に接続し、ソース電極側をオペアンプ３２４の−側入力と接続すると共に、抵抗３２５を介して接地している。またオペアンプ３２４の＋側入力は基準電圧に接続される。

この構成では、複数のＬＥＤ３１１を直列に接続して駆動電圧Ｖ_ccを印加すると共に、ＬＥＤ３１１と直列にＭＯＳＦＥＴも接続されるため、ＬＥＤ駆動時には、複数のＬＥＤ３１１の直列接続による電圧降下分と、抵抗３２５による電圧降下分をＶ_ccから差し引いた電圧が、ＭＯＳＦＥＴに印加されることとなる。ここで、ＬＥＤ３１１の順方向電圧Ｖ_fは、環境温度によって変化する。また、ＬＥＤ３１１の個体差によるばらつきも生じ得るため、ＬＥＤ３１１を直列接続する場合、数Ｖ程度の電圧の変動が生じることとなる。図３の例で、Ｖ_ccを２２Ｖとし、ＬＥＤ３１１を５個直列に接続したＶ_fによる電圧降下が１５〜２０Ｖであるとすれば、ＭＯＳＦＥＴに印加される電圧は０．５Ｖ〜５．５Ｖの範囲で可変となる。また、５．５Ｖもの電圧がＭＯＳＦＥＴに印加されることによって消費電力が大きくなり、無駄となる上、発熱量も大きくなるので許容損失の大きなＭＯＳＦＥＴが必要になりコスト高になる。

ＬＥＤは電流駆動素子であって入力電流に対する出力のリニアリティが良いという特長がある。このためＬＥＤを駆動するための駆動回路には定電流駆動回路が利用される。しかしながらＬＥＤの電気的特性や光学的特性は、素子毎にばらつきがある。特に順方向電圧が周囲温度や電流量等によって変動する。さらに光学特性の異なるＬＥＤを使用する際には輝度を一致させるために電流量を素子毎に調整する必要がある。さらにまた経時変化によって輝度が低下するため、その補正のためにも電流量を調整しなければならない。このため、複数のＬＥＤを使用する場合は、これらの特性を一致させることが困難であり、いずれか一のＬＥＤの特性に合わせた結果、他のＬＥＤの電圧が不足し駆動できない事態も生じ得る。一方でＲＧＢのＬＥＤを組み合わせて白色光を得るＬＥＤバックライトにおいては、色ばらつきや温度変化に対するホワイトバランスの調整を可能にするために、定電流駆動回路の電流量を調整するための電流調整機能がＲＧＢ各色毎に必要となる。具体的には、各ＬＥＤの順方向電圧Ｖ_fを十分に確保できる電圧を各ＬＥＤに供給する必要がある。しかしながら、上述の通りＶ_fは周囲の温度やＬＥＤに通電する順方向電流Ｉ_fに応じて変動するため、このようなＶ_fの変化を考慮して供給電圧を決定する必要がある。例えば、周囲温度が高温でＶ_fが低い状態に合わせて電源電圧を設定すると、低温でＶ_fが上昇した際には電源電圧の不足を招き、ひいては定電流駆動ができなくなってしまう。また一方、低温でＶ_fが高くなったときに合わせて電源電圧を設定すると、高温でＶ_fが低下した際には余剰な電圧はすべて定電流駆動部に印加されることになる。これはシステム全体の効率を悪化させ、駆動回路部分での発熱の増大、許容損失容量確保のための部品の大型化等を招く。またこの余剰電圧は、ＬＥＤの直列接続段数が多くなればそれだけ大きくなる。特にバックライトのようなシステムでは、その点灯の方法や形状から、直列接続した一群のＬＥＤを駆動することとなり、直列接続によってＬＥＤの個数が多くなるとこの影響が大きくなる。

このような理由から、定電流駆動回路に印加される電圧をＶ_fによらず一定に維持する必要がある。この問題を解決するために、直列接続したＬＥＤに印加する駆動電圧Ｖ_ccを固定とせず、可変とする方法が考えられる。このＬＥＤ駆動回路４００の一例を図４に示す。この図に示すＬＥＤ駆動回路４００は、直列接続したＬＥＤ４１１にＭＯＳＦＥＴ等の駆動用素子を接続せず、代わりにＤＣ／ＤＣコンバータＩＣで構成される電源制御回路４５０を使用して駆動電圧Ｖ_ccを可変としている。この電源制御回路４５０は、ＭＯＳＦＥＴ４５３等のスイッチング素子と、ＭＯＳＦＥＴ４５３のゲート電極に接続されたＰＷＭ制御回路で構成される。ＭＯＳＦＥＴ４５３のドレイン電極側は、所定の電源電圧（図４の例では２４Ｖ）と接続され、ソース電極側はインダクタを介してＶ_ccと接続され、かつダイオードを介して接地されている。ＰＷＭ制御回路は入力端子と出力端子を備えており、出力端子をＭＯＳＦＥＴ４５３のゲート電極側に接続すると共に、入力端子をＬＥＤ４１１のカソード側と接続している。このＬＥＤ４１１駆動回路４００は、ＬＥＤ４１１のカソード側の電圧をＰＷＭ制御回路に入力し、この電圧に応じてＰＷＭ制御回路がＭＯＳＦＥＴ４５３をＰＷＭ制御して入力電圧を調整し（図４の例では１６．２Ｖ〜２１．２Ｖ）、ＬＥＤ４１１のカソード側の電圧が一定値（図４の例では１．２Ｖ）となるようにフィードバック制御する。

しかしながら、この方式ではフィードバック制御によって順方向電流Ｉ_fおよび順方向電圧Ｖ_fに最適な電圧を供給できる反面、ＬＥＤ４１１のカソード側の電圧を一定値に制御するため、ＬＥＤ４１１の電流量を制御することが困難になるという問題がある。特にＬＥＤ４１１は電流駆動素子であるため、ＬＥＤ４１１の発光量や輝度を調整するためには、電流量の制御が必要となる。

さらに特許文献１には、ＬＥＤ５１１に定電流駆動回路５２０と信号制御機能付可変直流電源５５０とを直列に接続し、ＬＥＤ５１１の電圧降下を電圧検出回路５３０で検出して信号制御機能付可変直流電源５５０の電源電圧Ｖ_ccを制御するＬＥＤ５１１の駆動回路５００が開示される。このＬＥＤ駆動回路５００は、図５に示すように、電圧検出回路５３０４でＬＥＤ５１１のカソード電圧が０．７Ｖ（定電流駆動回路５２０が一定の電流を供給可能な最低レベルの電圧）以上になれば“Ｈ”、０．７Ｖ以下であれば“Ｌ”の電圧検出信号Ｓ４を出力する。ワンチップマイコン５６０は制御開始を指示する電源制御開始信号Ｓ６を受けると、電源電圧Ｖ_ccを０Ｖから、電圧検出信号Ｓ４が“Ｌ”から“Ｈ”に変化するまで０．０５Ｖ刻みで電源電圧Ｖ_ccを上昇させながら、電圧検出信号Ｓ４が“Ｈ”に変化して時点で、電源電圧Ｖ_ccの電圧上昇を停止して、電源電圧Ｖ_ccの設定を完了する。これにより、発光ダイオードの駆動回路の省電力化を図っている。

しかしながらこの駆動回路では、駆動するＬＥＤ５１１が一の場合は小型化を図ることができるものの、特性の異なる複数のＬＥＤを使用する場合には、これに応じて信号制御機能付可変直流電源５５０を複数用意しなければならなくなるという問題があった。特にＬＥＤの特性は、上述の通り順方向電圧等にばらつきが見られるため、周囲温度等に応じて適切な駆動電圧が各々異なる複数のＬＥＤに対してこの方式を適用するには、ＬＥＤ５１１の数に応じて信号制御機能付可変直流電源５５０をそれぞれ用意する必要がある。このため、信号制御機能付可変直流電源５５０の増加によって回路の複雑化、部品点数の増大、コスト増を招くという問題がある。特に電源制御回路に接続するインダクタやコンデンサ等大型の部品点数が増加すると、装置の大型化を招くことにも繋がる。
特開２０００−３４７６１３号公報特開平７−３６４０９号公報ＷＯ９８／４０８７１号公報

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、発光素子に駆動電力不足を生じさせることなく、損失を低減して効率を高めた発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法を提供することにある。

以上の目的を達成するために第１の発光装置は、直列に接続された複数の発光素子を有する発光素子群１０を複数含む発光部１２と、発光素子群１０と直列に接続され、発光素子群１０を駆動制御するための電流駆動回路２０を有する電流駆動部２２と、電流駆動部２２と電気的に接続され、電流駆動部２２に印加される電圧を検出し、この検出信号を出力可能な電圧検出回路３０を有する電圧検出部３２と、所定の電圧を出力する電源及び発光部１０と接続され、電圧検出回路３０の検出信号に基づいて、電源の電圧を発光素子群１０の駆動電圧に変換して発光素子群１０に供給する電圧変換部５０とを備えており、発光部１２は、複数の発光素子群１０が電圧変換部５０に対して並列に接続されており、これらの異なる発光素子群１０に対して供給される共通の駆動電圧と、発光素子群ごとに設けられた電流駆動回路２０により駆動制御されると共に、電圧検出回路３０は、発光素子群１０ごとに設けられており、電圧変換部５０が発光素子群１０に供給する駆動電圧を調整する。このように複数の発光素子群を、異なる電流駆動回路で各々駆動する構成において、共通の電圧変換部で適切な駆動電圧に変換することで、発光素子の順方向電圧が変動しても、電力変換回路で該発光素子に応じた適切な駆動電力に変換して印加できるので、電流駆動回路に過大な負荷をかけることなく安定して制御でき、損失を低減して発熱量を抑えた信頼性の高い発光装置を得ることができる。しかも複数の異なる電流駆動回路を用いた電流駆動回路において、共通の電力変換回路を使用して低損失な駆動を実現できる。さらに電圧検出回路３０はそれぞれ、増幅回路と、増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群３４とを備え、一対のダイオード群３４は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード３４Ａと、順方向ダイオード３４Ａと逆並列に接続された逆方向ダイオード３４Ｂとを有する。これにより、電流駆動回路と発光素子群との接続点の電位を検出し、電源制御回路に出力できる。

また第２の発光装置はさらに、複数の電圧検出回路３０と、一の電圧変換部５０との間に接続され、電圧検出回路３０の検出信号に基づいて、電圧変換部５０の電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路４０を備える。これにより、電流駆動回路の異なる発光素子群毎の電流駆動回路に印加される電圧を各々の電圧検出回路で検出し、これらの検出信号に基づいて最も電圧の大きい発光素子群に応じた駆動電力に電力変換回路で調整できるので、各発光素子群を所望の発光量に制御しつつ、発熱量を最小限に抑えることができる。

さらに第３の発光装置は、電流駆動回路２０が、スイッチング素子とオペアンプで構成されている。これにより、半導体スイッチング素子等のスイッチング素子を利用した損失の少ない電流駆動回路を構成して、発光素子を駆動制御できる。

さらにまた第４の発光装置は、電圧検出部３２が、電流駆動部と発光部の間に接続されている。これにより、電流駆動回路に印加される電圧を電圧検出回路で確実に検出でき、検出された電位に基づいてフィードバック制御により駆動電力を調整できるので、過大な電圧が電流駆動回路に印加される事態が回避され、もって損失を低減できる。

さらにまた第５の発光装置は、制御信号生成回路４０が、増幅回路と、増幅回路の出力電圧を分圧してフィードバック電位を生成する分圧抵抗器４２、４３とを含む。これにより、発光素子群による電圧を増幅回路で検出して、これを分圧器で分圧してフィードバック電位を生成し、入力されたフィードバック電位に基づいて電源制御回路が電源電圧を変調して、発光素子群に供給する駆動電力を調整するフィードバック制御を行うことができる。

さらにまた第６の発光装置は発光装置が液晶ディスプレイ用のバックライトである。これにより、ＬＥＤを使用した白色光に発光可能なバックライトの各色のＬＥＤの発光量をバランスよく発光でき、周囲温度や素子毎のばらつきによらず安定した発光を得ることができる。

さらにまた第７の発光装置は、電流駆動素子である発光素子を複数直列に接続した発光素子群１０とし、異なる発光素子群１０を複数並列に接続した発光部１２と、発光素子群１０と各々直列に接続され、発光素子群１０の通電量を制御するための電流駆動回路２０と、発光素子群１０と電流駆動回路２０とを接続する接続線に各々接続されて、各電流駆動回路２０に印加された電圧を検出して増幅した検出信号を出力する複数の電圧検出回路３０と、所定の電圧を供給する電源と発光素子群１０との間に接続され、電圧検出回路３０の検出信号に基づいて、電源の電圧を発光素子群１０の駆動電圧に変換して発光素子群１０に各々印加する電圧変換部５０と、複数の電圧検出回路３０と、電圧変換部５０との間に各々接続され、複数の電圧検出回路３０の各検出信号に基づいて、電圧変換部５０の電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路４０とを備え、発光素子群１０による電圧を電圧検出回路３０で各々検出し、検出信号に基づいて電圧変換部５０が電源の電圧を変換して、発光素子群１０に供給する駆動電圧を調整する。これにより、電流駆動回路の異なる発光素子群毎の電流駆動回路の印加電圧を各々の電圧検出回路で検出し、これらの検出信号に基づいて最も電圧の大きい発光素子群に応じた駆動電圧に電力変換回路で調整できるので、各発光素子群を所望の発光量に制御しつつ、電流駆動回路の発熱量を最小限に抑えることができる。さらに電圧検出回路３０はそれぞれ、増幅回路と、増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群３４とを備え、一対のダイオード群３４は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード３４Ａと、順方向ダイオード３４Ａと逆並列に接続された逆方向ダイオード３４Ｂとを有する。これにより、電流駆動回路と発光素子群との接続点の電位を検出し、電源制御回路に出力できる。

さらにまた第８の発光素子駆動回路は、電流駆動素子である発光素子を、電流駆動するための発光素子駆動回路であって、発光素子同士を直列に接続した発光素子群１０とし、異なる発光素子群１０同士を複数並列に接続した発光部１２に対して、発光素子群１０と各々直列に接続され、発光素子群１０の通電量を制御するための電流駆動回路２０と、発光素子群１０と電流駆動回路２０との間の接続線に各々接続されて、各電流駆動回路２０に印加された電圧を検出して増幅した検出信号を出力する複数の電圧検出回路３０と、所定の電圧を供給する電源と発光素子群１０との間に接続され、電圧検出回路３０の検出信号に基づいて、電源の電圧を発光素子群１０の駆動電圧に変換して発光素子群１０に各々印加する電圧変換部５０と、複数の電圧検出回路３０と、電圧変換部５０との間に各々接続され、複数の電圧検出回路３０の各検出信号に基づいて、電圧変換部５０における電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路４０とを備え、発光素子群１０による電圧を電圧検出回路３０で各々検出し、検出信号に基づいて電圧変換部５０が電源の電圧を変換して、発光素子群１０に供給する駆動電圧を調整する。これにより、電流駆動回路の異なる発光素子群毎の電流駆動回路の印加電圧を各々の電圧検出回路で検出し、これらの検出信号に基づいて最も電圧の大きい発光素子群に応じた駆動電圧に電力変換回路で調整できるので、各発光素子群を所望の発光量に制御しつつ、電流駆動回路の発熱量を最小限に抑えることができる。さらに電圧検出回路３０はそれぞれ、増幅回路と、増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群３４とを備え、一対のダイオード群３４は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード３４Ａと、順方向ダイオード３４Ａと逆並列に接続された逆方向ダイオード３４Ｂとを有する。これにより、電流駆動回路と発光素子群との接続点の電位を検出し、電源制御回路に出力できる。

さらにまた第９の発光素子の駆動方法は、電流駆動素子である発光素子を、電流駆動する駆動方法であって、発光素子同士を複数直列に接続した発光素子群１０とし、発光素子群１０を複数並列に接続した発光部１２において、発光部１２を電流駆動するための電流駆動回路２０に印加された電圧を検出して増幅した検出信号を各々出力する工程と、各発光素子群１０の検出信号に基づいて、最も電圧の大きい発光素子群１０を選択し、該発光素子群１０を駆動可能な駆動電圧値に関する変換信号を生成する工程と、変換信号に基づいて、電源電圧を適切な駆動電圧に変換して発光部１２の発光素子群１０に各々印加する工程とを含む。これにより、電流駆動回路の異なる発光素子群毎の電流駆動回路の印加電圧を各々の電圧検出回路で検出し、これらの検出信号に基づいて最も電圧の大きい発光素子群に応じた駆動電圧に電力変換回路で調整できるので、各発光素子群を所望の発光量に制御しつつ、電流駆動回路の発熱量を最小限に抑えることができる。

さらにまた第１０の発光素子の駆動方法は、電流駆動回路２０に印加された電圧を検出するため発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０が、一対のダイオード群３４を含んでおり、一対のダイオード群３４は順方向ダイオード３４Ａと、順方向ダイオード３４Ａと逆並列に接続された逆方向ダイオード３４Ｂとを含み、最も電圧の大きい発光素子群１０に対応した変換信号を生成する工程が、最も電圧の大きい発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０の逆方向ダイオード３４ＢをＯＮとし、最も電圧の小さい発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０の順方向ダイオード３４ＡをＯＮとし、他の発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０の順方向もしくは逆方向ダイオード３４ＢをＯＮもしくはＯＦＦとして、一定電圧の変換信号を生成するよう構成されている。ダイオードの特性と検出電圧を適切に選択することにより、電圧の異なる発光素子群に対して、電圧の最も大きい発光素子を確実に駆動できる電圧に設定して電圧不足による駆動不良を回避すると共に、これよりも電圧の低い発光素子に対しても適切な電力を供給し、電圧駆動回路における損失を可能な限り低減できる。

本発明の発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法によれば、発光素子の順方向電圧が変動しても、電力変換回路で該発光素子に応じた適切な駆動電力に変換して印加できるので、電流駆動回路に過大な負荷をかけることなく安定して制御でき、損失を低減して発熱量を抑えた信頼性の高い発光装置を得ることができる。しかも複数の異なる電流駆動回路で駆動される発光素子を用いた発光装置において、共通の電力変換回路を使用して低損失な駆動を実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法を例示するものであって、本発明は発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法を以下のものに特定しない。さらに、本明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、特許請求の範囲、および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。
（実施の形態１）

図１に、本発明の実施の形態１に係る発光装置１００を、また図２に、図１のブロック図を具現化した発光装置１００の一例を、それぞれ示す。これらの図に示す発光装置１００は、発光部１２と、電流駆動部２２と、電圧検出部３２と、制御信号生成回路４０と、電力変換回路５０とを備える。
（発光部１２）

発光部１２は、複数の発光素子１１を直列に接続した発光素子群１０を並列に接続している。
（発光素子１１）

本形態における発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップやレーザダイオード（ＬＤ）など種々の発光素子を利用することができる。これらの半導体発光素子は、入力に対する出力のリニアリティが良く、効率に優れ、長寿命で安定して使用できる利点がある。本形態における発光ダイオードは、種々の発光素子がリード電極やパッケージなどに配置され、電気的に接続された後、樹脂などの透光性部材により被覆されたものが好適に用いられる。

本形態の発光素子は、液相成長法、ＨＤＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法により基体上にＺｎＳ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＮ等の半導体を発光層として形成させたものが好適に用いられる。発光素子の発光波長は、半導体層の材料やその混晶度によって紫外光から可視光さらに赤外光まで選択することができる。

特に、野外でも好適に利用することができる表示装置とするときには、高輝度発光可能な発光素子が求められる。そこで、緑色系及び青色系の高輝度な発光する発光素子の材料として、窒化物半導体を選択することが好ましい。例えば、発光層の材料として、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０＜Ｘ＜１、０＜Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ≦１）等が利用できる。また、このような発光素子と、その発光により励起され、発光素子の発光波長と異なる波長を有する光を発する種々の蛍光体と、を組み合わせた発光ダイオードとすることもできる。

赤色系の発光する発光素子の材料として、ガリウム・アルミニウム・砒素系の半導体やアルミニウム・インジュウム・ガリウム・燐系の半導体を選択することが好ましい。

なお、カラー表示装置とためには、赤色系の発光波長が６１０ｎｍから７００ｎｍ、緑色が４９５ｎｍから５６５ｎｍ、青色の発光波長が４３０ｎｍから４９０ｎｍのＬＥＤチップを組み合わせることが好ましい。

発光素子は、その発光素子に電力を供給するリード電極と電気的に接続され、発光素子を外部から保護する封止部材にて被覆することにより発光ダイオードとされる。

発光素子は、成長基板上に半導体層をエピタキシャル成長させた半導体発光素子が好適に利用できる。成長基板は、例えば、サファイア、スピネル、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等、公知の材料を用いることができる。また、サファイアのような絶縁性基板でなく、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ等の導電性基板を用いることにより、ｐ電極及びｎ電極を対向して配置させることもできる。

また必要に応じて、発光素子の周囲に波長変換部材を配置し、発光素子の光の波長を変換して、異なる波長の光に変換して出力することもできる。波長変換部材は、例えば透光性樹脂に、発光素子１１の光で励起されて蛍光を発する蛍光体を混入することにより形成させたものである。これにより、発光素子１１の光をより長波長の光に変換し、発光素子１１の光と波長変換部材で変換された長波長の光との混色光を外部に取り出すことが可能となる。
（蛍光体）

蛍光体は、発光素子１１から放出された可視光や紫外光を他の発光波長に変換する。例えば、ＬＥＤの半導体発光層から発光された光で励起されて発光する。好ましい蛍光体としては、黄色領域の発光を行う（Ｙ，Ｇｄ）₃（Ａｌ，Ｇａ）₅Ｏ₁₂：Ｃｅ等で表される希土類アルミン酸塩であるＹＡＧ系蛍光体、アルカリ土類窒化珪素蛍光体等のナイトライド系、アルカリ土類酸化窒化珪素蛍光体等のオキシナイトライド系の蛍光体が利用できる。さらに、紫外光により励起されて所定の色の光を発生する公知の蛍光体を用いることができる。

ＬＥＤチップが発光した光と、蛍光体が発光した光が補色関係等にある場合、それぞれの光を混色させることで白色を発光することができる。具体的には、ＬＥＤチップからの光と、それによって励起され発光する蛍光体の光がそれぞれ光の３原色（赤色系、緑色系、青色系）に相当する場合やＬＥＤチップが発光した青色の光と、それによって励起され発光する蛍光体の黄色の光が挙げられる。特に紫外光を用いる場合は、紫外光により励起発光される蛍光体の発光色を単独で利用できるため、信号用の青緑色、黄色、赤色等やパステルカラー等の各種中間色の発光装置の実現も可能である。

なお本明細書において発光素子とは、その名称に限らず、フォトダイオード（ＰＤ）やＣＣＤ等の受光素子や撮像素子等の光学素子を含める意味で使用する。
（電流駆動回路２０）

各発光素子群１０は、各々電流駆動回路２０と接続される。このため図１に示す電流駆動部２２は、発光素子群１０A、１０B、１０Cに対応した３つの電流駆動回路２０A、２０Ｂ、２０Cを含んでいる。各電流駆動回路２０は、発光素子１１を定電流駆動する定電流駆動回路と、スイッチング等により通電量を制御する制御回路とを兼用している。図２の例では、各電流駆動回路２０は駆動素子であるスイッチング素子２３とオペアンプ２４で構成される。図２の例では駆動素子として半導体スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴを使用したが、バイポーラトランジスタを使用することも可能であることは言うまでもない。
（電圧検出部３２）

電圧検出部３２は、発光部１２と電流駆動部２２の間の接続点（図２におけるノードＮ２）と制御信号生成回路４０との間に接続される。図１の電圧検出部３２は３つの電圧検出回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを備え、各電圧検出回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは各々発光素子群１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃに接続される。図２の例では、各電圧検出回路３０はオペアンプ３３と、オペアンプ３３の出力側に接続された一対のダイオード３４と、抵抗３５で構成される。一対のダイオード３４は並列に、各々逆向きに接続された順方向ダイオード３４Ａと、逆方向ダイオード３４Ｂとで構成される。順方向ダイオード３４Ａは発光部側がアノードになるよう接続され、逆方向ダイオード３４Ｂはこれと逆向きに接続される。またオペアンプ３３の−側入力は、出力側と接続されて増幅率１の増幅回路を構成している。この電圧検出回路３０は、複数の発光素子１１を直列接続した発光素子群１０の電圧、すなわち各電流駆動回路２０に印加された電圧を検出し、検出信号を制御信号生成回路４０に送出する。具体的には、各電圧検出回路３０の出力側（図２におけるノードＮ１）が接続されて共通電位となるため、発光素子群１０の電圧が最も小さい電圧検出回路３０の順方向ダイオード３４ＡがＯＮとなって、Ｎ１とＮ２間にダイオードのＶ_F分の電位差を発生させる一方、発光素子群１０の電圧が最も大きい電圧検出回路３０の逆方向ダイオードがＯＮしてＮ１とＮ２間にダイオードのＶＦ分の電位差を発生させる。他の発光素子群１０の電圧検出回路３０についてはそれぞれのＮ２の電圧に応じて順方向ダイオード３４Ａもしくは３４ＢをＯＮさせそれぞれの電圧に応じた電流をダイオードに流すことによって結果的にノードＮ１の電圧を各電流駆動回路の印加電圧の中間電圧程度に調整するような電圧が、電力変換回路５０により発生される。これにより、最も電圧の大きい、すなわち最も高い駆動電流を必要とする発光素子群１０に合わせるようなＬＥＤ駆動電圧を電力変換回路５０で発生させることができ、電圧不足による発光不良を解消する。さらに、最も高い駆動電流を要する発光素子群１０を駆動できる適切な、好適には必要最小限の電圧のみを発生させることで、電流駆動回路２０で消費される無駄な発熱を低減でき、効率の良いＬＥＤ駆動が実現される。

電流駆動回路に印加される電圧によっては３４Ａ、３４ＢともＯＮしない電圧検出回路があってもよい。図中のオペアンプはダイオード３４Ａ、３４Ｂに対する駆動電流の容量を確保するためのもので、適切な特性をもった増幅回路であればオペアンプに限らない。
（制御信号生成回路４０）

制御信号生成回路４０は、３つの電圧検出回路３０よりなる電圧検出部３２と電力変換回路５０との間に接続される。制御信号生成回路４０は、検出信号に基づいて電力変換回路５０の電力変換量を調整する変換信号を生成する。図２の回路例では、制御信号生成回路４０はオペアンプ４１で構成され、−側入力を出力側と接続した全帰還型とし、また出力側は２つの分圧抵抗４２、４３を介して接地すると共に、２つの分圧抵抗４２、４３で分圧された値が変換信号として電力変換回路５０の入力側に入力される。またオペアンプ４１の＋側入力は、電圧検出部３２の３つの電圧検出回路３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと接続されている。これにより、各発光素子群１０毎の電圧を各々の電圧検出回路３０で検出し、最も電圧の大きい発光素子群１０の電圧を予測できる検出信号がオペアンプ４１の＋側入力に入力され、変換信号として出力される。なお図示しないが、各オペアンプにはオペアンプ駆動用電圧が印加される。なお図中のオペアンプは抵抗４２、４３に対する駆動電流の容量を確保するためのものであり、適切な特性をもった増幅回路であればオペアンプに限らず、他の部材も適宜利用できる。
（電力変換回路５０）

一方、電力変換回路５０は、所定電圧の電源と発光部１２との間に直列に接続され、変換信号を入力して電源電圧Ｖを適切な駆動電圧に変換して発光部１２に供給する。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータＩＣ５２と、スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ５３で構成され、さらに平滑用のインダクタやコンデンサ、ダイオードなどにより構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータＩＣ５２の入力側は制御信号生成回路４０の２つの分圧抵抗４２、４３による変換信号が入力され、出力側をＭＯＳＦＥＴ５３のゲート側と接続している。これにより、分圧値である変換信号に応じてＭＯＳＦＥＴ５３が駆動されて電源電圧Ｖをスイッチング制御し、発光部１２に印加される駆動電圧に調整され、さらに調整された駆動電圧によって発光素子群１０の電圧値も変動し、変換信号も変化するというフィードバック制御が行われ、使用する発光素子群１０の電圧に応じた一定の変換信号に安定する。なお電力変換回路５０の電源は、発光素子１１を駆動する駆動電源と共通にすることもできるし、個別の電源を用意することもできることはいうまでもない。

以上の発光装置１００は、図２に示すように、電圧の最も大きい発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０の逆方向ダイオード３４ＢがＯＮする一方、電圧の最も大きい発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０の順方向ダイオード３４ＡがＯＮする、これ以外の発光素子群１０に接続された電圧検出回路３０はダイオード３４Ａもしくは３４ＢをＯＮとして、ノードＮ１の電位が一定となるような電流が流れる。すなわちこの状態で、各々の発光素子群１０に駆動電圧に応じた適切な電流を流せるような電位に、ノードＮ１の電位及び各部の抵抗値等を設定する。これにより、各発光素子１１のＶ_fの値と、電流駆動回路２０が定電流駆動するために必要な駆動電圧、電流調整の幅や動作温度とそれに伴うＬＥＤのＶ_fの変動を考慮して、ＤＣ／ＤＣコンバータをフィードバック制御すれば、Ｖ_fが不足する問題は回避できる。

例えば各発光素子群１０として５個のＬＥＤを使用し、安定時の電圧がＬＥＤのばらつきや周囲温度、動作温度によって１５Ｖ〜２０Ｖ、あるいは１６Ｖ〜１８Ｖ程度に変動する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータＩＣ５２の入力電圧が１．２Ｖの時、接続点の電圧が２Ｖ程度となるように分圧抵抗４２の値を８００Ω、４３の値を１．２ｋΩ程度することで、電源電圧Ｖを１７Ｖ〜２２Ｖ程度の範囲内で適切な値に調整される。これにより、一の電力変換回路５０で３つの発光素子群１０に適切な駆動電圧を印加できるので、電流駆動部２２で発生する熱量を最小限に抑制して損失を低減できる。

以上のように、複数の電流駆動回路の内で最も低い電圧が印加される電流駆動回路に応じた駆動電圧を電力変換回路で発生させることができ、さらに順方向電圧Ｖ_fが変動してもこれに応じて駆動電圧を調整し発光量を一定に維持でき、発熱量を低減しつつ、安定したＬＥＤ駆動を実現できる。特に余剰電圧はＬＥＤのシリアル接続段数が多くなれば大きくなる可能性が高く、例えばバックライトのようなシステムではその点灯の方法や、形状からシリアル駆動する個数が大きくなり、損失の影響が大きくなるため、本発明は有効である。また一の電力変換回路を異なる駆動電圧の発光素子駆動用に共用できるので、部品点数を大幅に低減できる。

本発明の発光装置、発光素子駆動回路及び発光素子の駆動方法は、液晶ディスプレイのバックライト用光源等に好適に利用できる。

本発明の実施の形態１に係る発光装置を示すブロック図である。図１のブロック図を具現化した発光装置の一例を示す回路図である。従来のＬＥＤ駆動回路の一例を示すブロック図である。従来のＬＥＤ駆動回路の他の例を示すブロック図である。従来のＬＥＤ駆動回路のさらに他の例を示すブロック図である。

１００…発光装置
１０…発光素子群
１０Ａ…赤色発光素子群、１０Ｂ…緑色発光素子群、１０Ｃ…青色発光素子群
１１…発光素子
１２…発光部
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…電流駆動回路
２２…電流駆動部
２３…スイッチング素子
２４，３３，４１，３２４…オペアンプ
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…電圧検出回路
３２…電圧検出部
３４…ダイオード群
３４Ａ…順方向ダイオード；３４Ｂ…逆方向ダイオード
３５…抵抗
４０…制御信号生成回路
４２、４３…分圧抵抗
５０…電力変換回路
５２…ＤＣ／ＤＣコンバータＩＣ
５３…ＭＯＳＦＥＴ
３００…ＬＥＤ駆動回路
３１１、４１１、５１１…ＬＥＤ
３２３…駆動用素子
３２５…抵抗
４００…ＬＥＤ駆動回路
４５０…電源制御回路
４５３…ＭＯＳＦＥＴ
５００…駆動回路
５２０…定電流駆動回路
５３０…電圧検出回路
５５０…信号制御機能付可変直流電源
５６０…ワンチップマイコン
Ｎ１、Ｎ２…ノード

Claims

直列に接続された複数の発光素子を有する発光素子群(10)を複数含む発光部(12)と、
前記発光素子群(10)と直列に接続され、前記発光素子群(10)を駆動制御するための電流駆動回路(20)を有する電流駆動部(22)と、
前記電流駆動部(22)と電気的に接続され、前記電流駆動部(22)に印加される電圧を検出し、この検出信号を出力可能な電圧検出回路(30)を有する電圧検出部(32)と、
所定の電圧を出力する電源及び前記発光部(10)と接続され、前記電圧検出回路(30)の検出信号に基づいて、前記電源の電圧を前記発光素子群(10)の駆動電圧に変換して前記発光素子群(10)に供給する電圧変換部(50)と、
を備えており、
前記発光部(12)は、前記複数の発光素子群(10)が前記電圧変換部(50)に対して並列に接続されており、これらの異なる発光素子群(10)に対して供給される共通の駆動電圧と、発光素子群ごとに設けられた前記電流駆動回路(20)により駆動制御されると共に、
前記電圧検出回路(30)はそれぞれ、
増幅回路と、
前記増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群(34)と
を備え、前記一対のダイオード群(34)は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード(34A)と、前記順方向ダイオード(34A)と逆並列に接続された逆方向ダイオード(34B)とを有しており、
前記電圧検出回路(30)は、前記発光素子群(10)ごとに設けられており、前記電圧変換部(50)が前記発光素子群(10)に供給する駆動電圧を調整することを特徴とする発光装置。
請求項１に記載の発光装置であって、さらに、
前記複数の電圧検出回路(30)と、一の電圧変換部(50)との間に接続され、前記電圧検出回路(30)の検出信号に基づいて、前記電圧変換部(50)の電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路(40)を備えることを特徴とする発光装置。
請求項１又は２に記載の発光装置であって、
前記電流駆動回路(20)が、スイッチング素子とオペアンプで構成されてなることを特徴とする発光装置。
請求項１から３のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記電圧検出部(32)が、前記電流駆動部と発光部の間に接続されていることを特徴とする発光装置。
請求項２から４のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記制御信号生成回路(40)が、
増幅回路と、
前記増幅回路の出力電圧を分圧してフィードバック電位を生成する分圧抵抗器(42,43)と
を含むことを特徴とする発光装置。
請求項１から５のいずれか一に記載の発光装置であって、
前記発光装置が液晶ディスプレイ用のバックライトであることを特徴とする発光装置。
電流駆動素子である発光素子を複数直列に接続した発光素子群(10)とし、異なる発光素子群(10)を複数並列に接続した発光部(12)と、
前記発光素子群(10)と各々直列に接続され、発光素子群(10)の通電量を制御するための電流駆動回路(20)と、
前記発光素子群(10)と電流駆動回路(20)とを接続する接続線に各々接続されて、各電流駆動回路(20)に印加された電圧を検出して増幅した検出信号を出力する複数の電圧検出回路(30)と、
所定の電圧を供給する電源と前記発光素子群(10)との間に接続され、前記電圧検出回路(30)の検出信号に基づいて、前記電源の電圧を前記発光素子群(10)の駆動電圧に変換して前記発光素子群(10)に各々印加する電圧変換部(50)と、
前記複数の電圧検出回路(30)と、電圧変換部(50)との間に各々接続され、前記複数の電圧検出回路(30)の各検出信号に基づいて、前記電圧変換部(50)の電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路(40)と、
を備え、
前記電圧検出回路(30)はそれぞれ、
増幅回路と、
前記増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群(34)と
を備え、前記一対のダイオード群(34)は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード(34A)と、前記順方向ダイオード(34A)と逆並列に接続された逆方向ダイオード(34B)とを有しており、
前記発光素子群(10)による電圧を前記電圧検出回路(30)で各々検出し、検出信号に基づいて前記電圧変換部(50)が前記電源の電圧を変換して、前記発光素子群(10)に供給する駆動電圧を調整することを特徴とする発光装置。
電流駆動素子である発光素子を、電流駆動するための発光素子駆動回路であって、
発光素子同士を直列に接続した発光素子群(10)とし、異なる発光素子群(10)同士を複数並列に接続した発光部(12)に対して、前記発光素子群(10)と各々直列に接続され、発光素子群(10)の通電量を制御するための電流駆動回路(20)と、
前記発光素子群(10)と電流駆動回路(20)との間の接続線に各々接続されて、各電流駆動回路(20)の電圧を検出して増幅した検出信号を出力する複数の電圧検出回路(30)と、
所定の電圧を供給する電源と前記発光素子群(10)との間に接続され、前記電圧検出回路(30)の検出信号に基づいて、前記電源の電圧を前記発光素子群(10)の駆動電圧に変換して前記発光素子群(10)に各々印加する電圧変換部(50)と、
前記複数の電圧検出回路(30)と、前記電圧変換部(50)との間に各々接続され、前記複数の電圧検出回路(30)の各検出信号に基づいて、前記電圧変換部(50)における電圧変換量を調整する変換信号を生成する共通の制御信号生成回路(40)と、
を備え、
前記電圧検出回路(30)はそれぞれ、
増幅回路と、
前記増幅回路の出力側に接続された一対のダイオード群(34)と
を備え、前記一対のダイオード群(34)は、増幅回路側にアノードが接続された順方向ダイオード(34A)と、前記順方向ダイオード(34A)と逆並列に接続された逆方向ダイオード(34B)とを有しており、
前記発光素子群(10)による電圧を前記電圧検出回路(30)で各々検出し、検出信号に基づいて前記電圧変換部(50)が前記電源の電圧を変換して、前記発光素子群(10)に供給する駆動電圧を調整することを特徴とする発光素子駆動回路。
電流駆動素子である発光素子を、電流駆動する駆動方法であって、
発光素子同士を複数直列に接続した発光素子群(10)とし、発光素子群(10)を複数並列に接続した発光部(12)において、前記発光部(12)を電流駆動するための電流駆動回路(20)に印加された電圧を検出して増幅した検出信号を各々出力する工程と、
各発光素子群(10)の検出信号に基づいて、最も電圧の大きい発光素子群(10)を選択し、該発光素子群(10)を駆動可能な駆動電圧値に関する変換信号を生成する工程と、
前記変換信号に基づいて、電源電圧を適切な駆動電圧に変換して前記発光部(12)の発光素子群(10)に各々印加する工程と、
を含むことを特徴とする発光素子の駆動方法。
請求項９に記載の発光素子の駆動方法であって、
電流駆動回路(20)に印加された電圧を検出するため発光素子群(10)に接続された電圧検出回路(30)が、一対のダイオード群(34)を含んでおり、
前記一対のダイオード群(34)は順方向ダイオード(34A)と、前記順方向ダイオード(34A)と逆並列に接続された逆方向ダイオード(34B)とを含み、
最も電圧の大きい発光素子群(10)に対応した変換信号を生成する工程が、最も電圧の大きい発光素子群(10)に接続された電圧検出回路(30)の逆方向ダイオード(34B)をＯＮとし、最も電圧の小さい発光素子群(10)に接続された電圧検出回路(30)の順方向ダイオード(34A)をＯＮとし、他の発光素子群(10)に接続された電圧検出回路(30)の順方向もしくは逆方向ダイオード(34B)をＯＮもしくはＯＦＦとして、一定電圧の変換信号を生成するよう構成されてなることを特徴とする発光装置。