JP6150390B2

JP6150390B2 - Ｌｅｄ劣化測定装置およびｌｅｄ点灯装置

Info

Publication number: JP6150390B2
Application number: JP2013163496A
Authority: JP
Inventors: 成夫五島; 元和田
Original assignee: Panasonic Corp; Doshisha; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Doshisha; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: JP2015032793A

Description

本発明は、ＬＥＤ劣化測定装置およびそれを備えたＬＥＤ点灯装置に関するものである。

ＬＥＤ(Light Emitting Diode)を光源とするＬＥＤ光源は、蛍光灯など既存の光源と比較して、長寿命、省エネルギ化が可能な特徴を有している。ＬＥＤ光源を点灯するＬＥＤ点灯装置は、ＬＥＤ光源の特徴を活かし低コスト化が可能な照明器具などに利用できるとして、現在、注目されている。

ところで、照明器具では、光源の取り替え時期を確認することを目的として、照明器具の寿命や劣化状態を把握するために、定期的な保守や点検が行なわれる（以下、このような作業を総じてメンテナンスとも称する）。このようなメンテナンスは、簡単かつ作業がしやすいなどの利点から、目視により照明器具の外部から光源の劣化を確認することが一般的である。

しかしながら、蛍光灯などの従来光源の多くは、寿命が近づくと黒化するなど、その寿命末期が判断できる情報を目視により把握することができたが、ＬＥＤ光源の場合、ＬＥＤ自体の劣化は外的変化として把握することが難しい。ただし、ＬＥＤは、照明器具などの分野で特に活用されており、ＬＥＤの劣化具合を簡易に確認することができる技術の提案が望まれている。

そこで、例えば、特許文献１では、ＬＥＤの点灯中、ＬＥＤの点灯時間を積算し、積算点灯時間が予め設定されているＬＥＤの寿命時間Ｔ_Ｌに到達したときに、ＬＥＤ寿命の到達通知を行う技術が提案されている。

本技術をより具体的に説明すると、特許文献１のＬＥＤ表示器では、ＬＥＤ表示器の保守管理のため、図１０に示す処理フロー図に基づいて、ＬＥＤの寿命監視が行われている。図１０に示す処理フロー図では、ＬＥＤ表示器は、コントローラからのＬＥＤの点灯指令を取り込むと（ステップＳ１２１）、指示内容が〔点灯〕か〔消灯〕かを、ＬＥＤ表示器のＣＰＵが判定する（ステップＳ１２２）。ＬＥＤ表示器では、指示内容が〔点灯〕であれば、ＣＰＵは、表示回路を駆動してＬＥＤを一定電流で点灯する。ＬＥＤ表示器は、ＬＥＤ表示器の電流検知器が所定の電流値以上であることを検出すると、ＣＰＵは、電流検知器の検出信号からＬＥＤが指示通りに点灯したものと判断し（ステップＳ１２３）、ＬＥＤの点灯時間の積算を行う（ステップＳ１２４）。ＬＥＤ表示器は、ＬＥＤの点灯時間の積算を行うステップＳ１２４において、ＬＥＤの点灯時間の積算値がＬＥＤの寿命時間Ｔ_Ｌへ到達したか否かを周期的に判定する（ステップＳ１２５）。

ＬＥＤ表示器は、ＬＥＤの点灯時間の積算値が寿命時間Ｔ_Ｌ未満であれば、ＬＥＤの点灯指令を取り込むステップＳ１２１に戻り、〔点灯〕指令が継続していればＬＥＤの点灯時間の積算を繰り返す。ＬＥＤ表示器は、ＬＥＤが寿命時間Ｔ_Ｌへ到達したか否かを判定するステップＳ１２５において、ＬＥＤの点灯時間の積算値がＬＥＤの寿命時間Ｔ_Ｌに到達していれば、ＬＥＤの寿命到達通知を行う（ステップＳ１２６）。

なお、ＬＥＤ表示器は、ＬＥＤが指示通りに点灯したかを判断するステップＳ１２３において、ＬＥＤが点灯しなければ、球切れまたは電源故障とみてＬＥＤ故障通知を出力する（ステップＳ１２７）。また、ＬＥＤ表示器では、指示内容が〔点灯〕か、〔消灯〕かを判定するステップＳ１２２において、消灯であれば、ＬＥＤが寿命時間Ｔ_Ｌへ到達したか否かを判定するステップＳ１２５に移行する。

特開平１０−３９８３６号公報

しかしながら、当該技術は、ＬＥＤ光源の点灯時間の積算時間に基づく画一的な寿命や故障を検出することはできるものの、ＬＥＤ光源自体が劣化しているかを判別することができないので、ＬＥＤ光源を用いた照明器具のメンテナンスを簡易に行う方法として採用することは難しい。

本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、経時的な劣化を含め、ＬＥＤ光源の劣化の有無ならびにその劣化レベルの大きさを判別することが可能なＬＥＤ劣化測定装置およびそれを備えたＬＥＤ点灯装置を提供することにある。

本発明のＬＥＤ劣化測定装置は、ＬＥＤの順電圧−順電流特性に基づいて、前記ＬＥＤの劣化具合を判断するＬＥＤ劣化測定装置であって、前記ＬＥＤの順電圧−順電流特性を測定する測定部と、使用初期の前記ＬＥＤについて測定された順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲を所定の基準値として記憶した記憶部と、前記測定部により測定された順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲の測定値および前記基準値を比較して、前記測定値および前記基準値における各立ち上がり範囲の相違を出力する比較部と、前記比較部から出力される前記立ち上がり範囲の相違に基づいて前記ＬＥＤの劣化具合が所定レベルに達しているか否かを判別する劣化判別部と、を備えることを特徴とする。

本ＬＥＤ劣化測定装置は、前記比較部は、前記測定部により測定される順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲を２階微分して出力する微分回路部を有し、前記微分回路部からの出力値を前記測定値として、前記出力値および前記基準値を比較する、ことが好ましい。

さらに、前記比較部は、前記測定部により測定される前記立ち上がり範囲における電圧の値を前記測定値とし、前記電圧の値および前記基準値を比較する、ことが好ましい。

また、本発明のＬＥＤ点灯装置は、上記いずれかひとつに記載のＬＥＤ劣化測定装置と、前記ＬＥＤと電気的に接続され、所定の周波数のパルス波におけるデューティ比を変化させたパルス幅変調により前記ＬＥＤを点灯させる点灯回路部と、を有し、前記パルス波の立ち上がり時に、前記測定部により前記ＬＥＤの順電圧−順電流特性を測定する、ことを特徴とする。

本発明により、ＬＥＤ光源自体の経時的な劣化を含め、劣化具合を確認することができるＬＥＤ劣化測定装置を提供することができる。当該装置は、ＬＥＤを光源とした照明器具のメンテナンスを簡易に行う方法として有用である。また、本発明によれば、パルス幅変調によりＬＥＤ光源を点灯させ、ＬＥＤ光源の劣化が所定レベルに達しているかを判別することが可能になるＬＥＤ点灯装置を提供することができる。

図１は、実施形態１のＬＥＤ劣化測定装置を備えたＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。図２（ａ）は、実施形態１のＬＥＤ劣化測定装置に接続するＬＥＤ光源の順電圧と順電流との関係を説明する説明図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分拡大図である。図３（ａ）は、実施形態１のＬＥＤ劣化測定装置と接続するＬＥＤ光源におけるＬＥＤの模式的説明図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＬＥＤの発光原理を説明する原理説明図である。図４は、実施形態１のＬＥＤ劣化測定装置と接続するＬＥＤ光源におけるＬＥＤの結晶構造を説明する模式的説明図である。図５は、実施形態１のＬＥＤ劣化測定装置と接続するＬＥＤ光源におけるＬＥＤの結晶構造を説明する別の模式的説明図である。図６は、実施形態２のＬＥＤ劣化測定装置を備えたＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。図７は、実施形態２のＬＥＤ劣化測定装置における測定値と基準値との関係を説明する説明図である。図８は、実施形態３のＬＥＤ点灯装置の構成を示すブロック図である。図９は、実施形態３のＬＥＤ点灯装置における動作を説明する動作説明図である。図１０は、従来のＬＥＤ表示器の寿命監視方法の処理を示すフローチャート図である。

（実施形態１）
以下、本実施形態のＬＥＤ点灯装置１０およびＬＥＤ劣化測定装置３０について、図１および図２を用いて説明する。なお、図中において同じ構成要素に対しては、同一の符号を付している。

ＬＥＤ点灯装置１０は、ＬＥＤ劣化測定装置３０と点灯回路部３１とを有する。また、ＬＥＤ点灯装置１０は、図１に示すように、ＬＥＤ光源２０とＬＥＤ劣化測定装置３０に対して、それぞれ電気的に接続されている。

ＬＥＤ光源２０は、給電により光を発光可能なＬＥＤ２０ａで構成される。本実施形態では、ＬＥＤ２０ａは、窒化物半導体材料で構成された１つのＬＥＤを備える。ＬＥＤ２０ａは、例えば、サファイアなどのエピタキシャル成長用単結晶基板を基板とするものを用いることができるが、特に限定はされない。

点灯回路部３１は、ＬＥＤ光源２０に印加する直流電圧を制御することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータにより構成され、電源部Ｅと電気的に接続されている。点灯回路部３１は、電源部Ｅからの直流電圧をＬＥＤ光源２０に対応した所定の直流電圧に変換してＬＥＤ光源２０に供給する。電源部Ｅは、例えば、適宜の電圧の直流電源たるバッテリを用いることができるが、特に限定はされない。

ＬＥＤ劣化測定装置３０は、使用初期のＬＥＤ２０ａの点灯時における順電圧−順電流特性を測定したり、一定間隔ごとや所定の指示が出されたときにＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性を測定するものである。本実施形態のＬＥＤ劣化測定装置３０は、記憶部１、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定する測定部２、比較部３および劣化判別部４を備える。

記憶部１は、予め、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分（図２（ａ）の一点鎖線の円を参照）に対する所定の基準値を記憶する。

基準値とは使用初期の正常なＬＥＤ光源２０における順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の値をいう。

記憶部１に記憶する順電圧−順電流特性としては、使用初期のＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定した測定結果を用いることができる。また、ＬＥＤ劣化測定装置３０は、記憶部１に記憶する順電圧−順電流特性として、ＬＥＤ光源２０の代表的な順電圧−順電流特性の初期特性を用いてもよい。ＬＥＤ劣化測定装置３０は、ＬＥＤ光源２０の代表的な順電圧−順電流特性の初期特性を基準特性に用いた場合、使用初期のＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定する手間を省略することが可能となる。記憶部１の構成は、例えば、不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)などを用いることができるが、特に限定されない。

また、本発明において、立ち上がり部分とは、ＬＥＤ２０ａをサンプルとした場合に、このＬＥＤ２０ａから得られる順電圧−順電流特性において、当該特性の変化が増加し始める部分をいう。より詳細には、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性において、順電圧Ｖｆが大きくなると順電流Ｉｆが指数関数的に大きくなる立ち上がり電圧ＶＴ近傍を意味する。ここで、順電流Ｉｆとは、ＬＥＤ光源２０のＬＥＤ２０ａが発光するときに流れる電流のことであり、順電圧Ｖｆとは、ＬＥＤ２０ａのＬＥＤ光源２０に順方向の電流を流したとき、ＬＥＤ光源２０の両端に加わる電圧のことである。

記憶部１に記憶させる基準値は、ＬＥＤ２０ａの種類によって異なる閾値としてもよい。その理由として、ＬＥＤ２０ａは、その製造過程で、ＬＥＤ２０ａを構成する半導体発光素子の半導体材料や構造によって、ＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性に個体差のばらつきが生じ、ＬＥＤ光源２０の立ち上がり電圧ＶＴが異なるおそれがあるためである。

測定部２は、ＬＥＤ光源２０を構成するＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性を測定する。本実施形態の測定部２は、適宜のプログラムにより駆動するマイクロコンピュータを有する。マイクロコンピュータは、測定部２からの順電圧Ｖｆおよび順電流Ｉｆに基づいて、順電圧−順電流特性を測定することが可能な部材である。

上記構成を備える測定部２は、ＬＥＤ光源２０の両端間に設けた一対の分圧抵抗の電圧を、Ａ／Ｄ変換部を介してマイクロコンピュータに入力し、ＬＥＤ光源２０の順電圧Ｖｆを測定する。また、測定部２は、ＬＥＤ光源２０の給電時において、ＬＥＤ光源２０と直列接続した抵抗に生ずる電圧降下による電圧を、Ａ／Ｄ変換部を介して前記マイクロコンピュータに入力し、ＬＥＤ光源２０の順電流Ｉｆを測定する。

測定部２の例には、ＬＥＤ光源２０の両端間に設けた一対の分圧抵抗を用いてＬＥＤ光源２０の順電圧Ｖｆを測定する電圧検出部が含まれる。同様に、測定部２の例には、ＬＥＤ光源２０に直列接続した抵抗に生ずる電圧降下の電圧を測定することによりＬＥＤ光源２０の順電流Ｉｆを測定する電流検出部が含まれる。

比較部３は、測定部２で測定したＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の特性曲線における測定値のうち、特性曲線における立ち上がり部分の測定値と、記憶部１に予め記憶されたＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の基準値とを比較するものである。具体的には、比較部３は、上記基準値と、測定部２により測定する順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の測定値とを比較して、両者の立ち上がり部分の相違をデータとして出力する。比較部３は、適宜のプログラムで駆動するマイクロコンピュータにより構成することができるが、上記機能を発揮するものであれば特に構成は問わない。

劣化判別部４は、測定部２で測定したＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の特性曲線の測定値と、比較部３からのデータの相違を算出してＬＥＤ光源２０の劣化を演算可能なものである。劣化判別部４は、例えば、適宜のプログラムで駆動するマイクロコンピュータにより構成され、基準値と測定値との立ち上がり部分の相違に基づいて比較部３から出力されたデータに基づき、ＬＥＤ光源２０の劣化具合が所定レベルに達しているか否かを判別する。

以下、本実施形態のＬＥＤ劣化測定装置３０を有するＬＥＤ点灯装置１０について、より詳細に説明する。

ＬＥＤ劣化測定装置３０の記憶部１には、予め、基準特性として、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性が記憶されている。

ＬＥＤ光源２０に電圧を印加して、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定部２で測定する。測定部２では、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性が適宜測定される。

続けて、比較部３に送られた当該測定値は、予め記憶部１に設定された基準値と比較され、両者の差分が算出される。より詳細には、比較部３では、予め、記憶部１に記憶された順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の基準値と、測定部２で測定した順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の測定値とが比較され、両者の差分が算出される。

当該差分は、劣化判別部４に送られた後、所定のレベルと比較され、ＬＥＤ光源２０の劣化具合が所定のレベルに達しているか否かが判別される。

劣化判別部４では、基準値と測定値との差分の度合いが、予め、ＬＥＤ光源２０の劣化とはいえない範囲として設定した所定の範囲を超えていれば、劣化判別部４がＬＥＤ光源２０を劣化していると判別する。一方で、劣化判別部４では、当該差分が所定の範囲内であれば、ＬＥＤ光源２０が劣化寿命に到達していないと判別する。なお、予め、劣化判別部４に設定されている劣化範囲のレベルは、複数段に設定してもよい。これにより、ＬＥＤ劣化測定装置３０は、より詳細に、かつ順々に、ＬＥＤ光源２０の劣化度合いを判別することが可能となる。

以上より、本発明に係るＬＥＤ劣化測定装置３０では、順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の変化を測定することで、ＬＥＤ光源２０の劣化具合が所定レベルに達しているか否かを判別することができる。

本発明者らが見出した本発明のメカニズムについて、ＬＥＤ光源２０におけるＬＥＤ２０ａの経時的な劣化の現象と共に、図３ないし図５を用いて説明する。

半導体発光素子であるＬＥＤ２０ａは、一般に、正孔が多数キャリアとなるｐ型半導体層２１と、光を発光する活性層２２と、自由電子が多数キャリアとなるｎ型半導体層２３とを備えた構成としている（図３（ａ）を参照）。

ＬＥＤ２０ａは、ｐ型半導体層２１をプラスとし、ｎ型半導体層２３をマイナスとして、外部の電源部Ｅから電圧を加えることでｐｎ接合のエネルギ障壁を低下させ、正孔（図３(ｂ)中の白丸）と自由電子（図３(ｂ)中の黒丸）の移動を促進させる（図３（ｂ）を参照）。ＬＥＤ２０ａは、ｐ型半導体層２１から移動した正孔が自由電子と再結合し、ｎ型半導体層２３から移動した自由電子が正孔と再結合する。ＬＥＤ２０ａは、正孔と自由電子との再結合により、外部に光エネルギｈνを放出する。ＬＥＤ２０ａは、正孔と自由電子とが再結合するバンドギャップエネルギの大きさにより、ＬＥＤ２０ａが発光する光の波長を決めることができる。ＬＥＤ２０ａでは、ＬＥＤ２０ａの発光する光の波長と、活性層２２中で自由に動ける自由電子と正孔のペアが持つバンドギャップエネルギとが逆比例する関係にある。

ところで、ＬＥＤ２０ａは、図４に示すように、活性層２２の結晶構造において、自由電子が移動して原子に衝突し、衝突された原子の電子が励起状態から基底状態に戻ることで発光する。なお、図４中では、ＬＥＤ２０ａの発光原理を説明しやすいように、一定の間隔で並べた原子（図４中の白丸を参照）の配列で半導体の結晶構造を示し、自由電子の移動を図４の矢印で例示している。

長時間にわたってＬＥＤ２０ａを使用すると、時間の経過と共にＬＥＤ２０ａの光出力が減少する経時的な劣化が生ずる。劣化が生じる要因としては、ＬＥＤ２０ａを長時間使用すると、ＬＥＤ２０ａを構成する半導体素子の結晶構造が変化し、結晶構造自体に欠陥が発生するためと考えられる（図５を参照）。また、結晶構造の変化は、外部応力やＬＥＤ２０ａの点灯に伴う発熱などに起因したストレスにより、ＬＥＤ２０ａの半導体の結晶構造に転位やずれなどが生ずると考えられる。

ＬＥＤ２０ａにおいて、半導体の結晶構造に転位やずれなどが生ずると、結晶構造を構成する原子が疎らな状態（図５の紙面の上側を参照）となったり、結晶構造を構成する原子が密な状態（図５の紙面の下側を参照）となったりする場合がある。また、ＬＥＤ２０ａの半導体の結晶構造に原子が疎らな状態となる欠陥が発生すると、図４に示すような結晶構造に欠陥のない理想的な結晶構造のＬＥＤ２０ａと比較して、自由電子が原子に衝突するまでの距離が長くなる。当該距離が長くなるほど、自由電子の持つエネルギが大きくなり、半導体のバンドギャップエネルギが、より増加する傾向になる。

一方で、ＬＥＤ２０ａの半導体の結晶構造に、結晶構造を構成する原子が密な状態となる欠陥が発生すると、図４に示す結晶構造に欠陥のない理想的な結晶構造のＬＥＤ２０ａと比較して、自由電子が隣接する原子に衝突するまでの距離が短くなる。当該距離が短くなるほど、自由電子の持つエネルギが小さくなり、半導体のバンドギャップエネルギが、より減少する傾向にある。

そこで、本発明者らは、欠陥の有無に応じて変化するＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線に着目した。本発明者らは、欠陥の有無で区分されるＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線を比較すれば、バンドギャップエネルギの増加／減少に応じて、ＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の位置がシフトすることを見出した。本発明者らは、本現象を利用することで、ＬＥＤ２０ａの劣化具合が所定レベルに達しているか否かを判断することができる本発明に想到した。

具体的には、本発明者らは、このバンドギャップエネルギが増大したＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線に着目し、バンドキャップが増大していない、つまり欠陥が生じていないＬＥＤ２０ａの当該特性曲線と比較した。本発明者らは、当該特性曲線の比較した結果により、バンドキャップが増大したＬＥＤ２０ａの特性曲線の立ち上がりが早くなることを確認した。本発明者らは、ＬＥＤ２０ａの欠陥の有無に応じて測定することができる、ＬＥＤ２０ａ自体の順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分の差分によって、バンドキャップエネルギの変化を判別することができることを見出した。

実験データに基づき図２（ｂ）を用いて説明する。バンドギャップエネルギが減少したＬＥＤ２０ａでは、欠陥のない順電圧−順電流特性の特性曲線３ａと比較し、順電圧−順電流特性の特性曲線３ｃは、順電圧−順電流特性の特性曲線の立ち上がり部分が、順電圧Ｖｆ（Ｖ）が増加する方向にシフトする。すなわち、順電圧−順電流特性の特性曲線３ｃは、順電圧−順電流特性の特性曲線の立ち上がり部分の立ち上がりが遅くなる。言い換えると、バンドキャップが減少したＬＥＤ２０ａでは、欠陥のない理想的な実線３ａに対して、細破線３ｃが、図２の紙面の下方にシフトする傾向にある。

一方で、バンドギャップエネルギが増加したＬＥＤ２０ａでは、その順電圧−順電流特性の特性曲線３ｂの立ち上がり部分が、順電圧Ｖｆ（Ｖ）が減少する方向にシフトする。すなわち、順電圧−順電流特性の特性曲線３ｂは、順電圧−順電流特性の特性曲線の立ち上がり部分の立ち上がりが早くなる。言い換えると、欠陥のない理想的な特性曲線の実線３ａに対して、バンドキャップが増加したＬＥＤ２０ａでは、太破線３ｂに示すように、図２の紙面の上方にシフトする傾向にある。

なお、図２（ｂ）では、欠陥のないＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線３ａと、バンドギャップエネルギが増大したＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線３ｂと、バンドギャップエネルギが減少したＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性の特性曲線３ｃとを実質的に重なるように例示している。

（実施形態２）
図６を用いて本発明に係る第２の実施形態のＬＥＤ劣化測定装置３０１およびＬＥＤ点灯装置１０１について説明する。図６において、第１の実施形態に係るＬＥＤ劣化測定装置３０と同じ構成を用いる場合には、同一の符号を付すと共に、詳細な説明は省略する。

点灯回路部３１１は、電源部Ｅからの交流電源を整流する整流回路部３１ａと、一対の切替スイッチ３１ｂ，３１ｂと、を備え、かつ交流電源で構成された電源部Ｅと電気的に接続されている。

点灯回路部３１１では、各切替スイッチ３１ｂにより、ＬＥＤ光源２０に対する供給電力を直流あるいは交流に切り替える。また、点灯回路部３１１は、内部に設けられたスイッチング素子（図示していない）により、所定の周波数のパルス波（図９参照）におけるデューティ比を変化させたパルス幅変調を行ない、ＬＥＤ光源２０を点灯させる。

劣化判別部４１は、微分回路部５で処理された微分値と、予め設定した閾値との比較結果に基づいて、ＬＥＤ光源２０の劣化が所定レベルに達したか否かを判別する。具体的には、測定部２が測定した立ち上がり部分の順電流Ｉｆを２階微分の導関数で処理して微分回路部５から出力された値が測定値となり、比較部３において基準値と比較される。

微分回路部５は、適宜のプログラムで駆動するマイクロコンピュータにより構成され、入力された測定値を２階微分の導関数で処理して出力するものである。マイクロコンピュータは、例えば、適宜のプログラムにより、所定のサンプリング周期で測定した順電流Ｉｆの値の差分と、対応する順電圧Ｖｆの値の差分とを利用して、デジタル的に微分値を算出することができる。

ＬＥＤ劣化測定装置３０１においてＬＥＤ２０ａの劣化レベル（劣化の有無、度合いなど）を判別する際には、先ず、各切替スイッチ３１ｂをオフとし、整流回路部３１ａを介さずに、直接的に電源部ＥとＬＥＤ光源２０および測定部２とを電気的に接続する。ＬＥＤ点灯装置１０１は、直接的に電源部ＥとＬＥＤ光源２０および測定部２とを電気的に接続することで、整流回路部３１ａを介さずにＬＥＤ２０ａに対して電力を供給する。これにより、通常、ＬＥＤ２０ａを点灯させる際には、ＬＥＤ２０ａのちらつきなどを低く抑える観点から、電力波形の差分をできる限り小さくするために整流回路を使用し、直流電力を供給するが、本発明では、ＬＥＤ２０ａに対して交流電力が印加される。

本発明では、電力を供給した際のＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性曲線に着目し、特に、その立ち上がり部分の変化に基づいて劣化レベルを判別する。ＬＥＤ２０ａの順電圧-順電流特性曲性の立ち上がり部分は、通常のＬＥＤを点灯させる電圧値と比較して、非常に電圧が低い。

そこで、本発明では、ＬＥＤ２０ａに対して交流電力を供給する。これにより、測定部２によって得られるＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性曲線は、立ち上がり特性の変化量が大きくなる。そうすると、微分回路部５により得られる微分値（測定値）も大きな値が得られるので、結果として、図７に示すような順電圧−順電流特性曲線における立ち上がり特性の変化量がより顕著に表示され、劣化レベルをより正確かつ適正に判別することが可能となる。

なお、ＬＥＤ劣化測定装置３０１では、予め、測定部２によって測定されたＬＥＤ光源２０の使用初期における順電圧−順電流特性の特性曲線に基づき、当該特性曲線の立ち上がり部分を２階微分して得られるピーク値を基準値とする（図７の実線３ｄを参照）。図７では、測定部２によって測定されたＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の特性曲線に基づく測定値として、微分回路部５からの出力値を破線３ｅで例示している。

（実施形態３）
図８および図９を用いて本発明に係る第３の実施形態のＬＥＤ劣化測定装置３０２およびＬＥＤ点灯装置１０２について説明する。図８において、第２の実施形態に係るＬＥＤ劣化測定装置３０１と同じ構成を用いる場合には、同一の符号を付すと共に、詳細な説明は省略する。

本実施形態のＬＥＤ点灯装置１０２は、実施形態２のＬＥＤ点灯装置１０１と比較し、常時スイッチングしてＬＥＤ２０ａを点灯させ、かつＰＷＭの立ち上がり時に劣化判定を行うものである。当該ＬＥＤ点灯装置１０２は、パルス波の立ち上がり時に測定部２がＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定するＬＥＤ劣化測定装置３０２と、ＬＥＤ光源２０と電気的に接続された点灯回路部３１２とを有している。

点灯回路部３１２は、所定の周波数のパルス波（図９を参照）におけるデューティ比を変化させたパルス幅変調によりＬＥＤ光源２０を点灯するものであり、電源部Ｅからの交流電源を整流する整流回路部３１ａを備えている。交流電源で構成された電源部Ｅは、点灯回路部３１２と電気的に接続されている。

点灯回路部３１２は、内部のスイッチング素子を適宜にスイッチングすることにより、所定の周波数のパルス波におけるデューティ比を変化させたパルス幅変調によりＬＥＤ光源２０を点灯する。

点灯回路部３１２は、例えば、パルス波のデューティ比を変化させたパルス幅変調の制御を取り入れた降圧回路や昇圧回路で構成することができる。点灯回路部３１２は、パルス波でＬＥＤ光源２０を点灯することにより、定電流でＬＥＤ光源２０を点灯するものと比較して、順電流Ｉｆの最大定格を大きくする。例えば、点灯回路部３１２は、パルス幅変調で点灯することにより、ＬＥＤ光源２０におけるパルスの順電流Ｉｆの最大定格を２００ｍＡまで大きくする。これにより、ＬＥＤ点灯装置１０２では、ＬＥＤ光源２０の光出力を見かけ上大きくすることが可能となる。

ＬＥＤ点灯装置１０２は、例えば、定電流駆動させたＬＥＤ光源２０の順電流Ｉｆが最大定格１５０ｍＡのＬＥＤ光源２０を、パルス幅１０ｍｓでデューティ比が１／１０以下のパルス波で点灯することができる。結果として、ＬＥＤ点灯装置１０２は、点灯回路部３１２により、例えば、数百ないし数ｋＨｚの周波数のパルスで、ＬＥＤ光源２０を点灯させることができる。

また、点灯回路部３１２を、例えば、５０Ｈｚ以上の周波数のパルスで、ＬＥＤ光源２０を点灯させれば、ＬＥＤ光源２０のちらつきを抑制することが可能となる。

点灯回路部３１２は、商用交流電源などの交流電源たる電源部ＥとＬＥＤ光源２０との間に電気的に接続させたＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor)などのスイッチング素子をスイッチング動作させる構成としてもよい。点灯回路部３１２は、スイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号によりパルス幅変調させた構成でもよい。

ＰＷＭ信号で動作させる場合、点灯回路部３１２は、ＰＷＭ信号がＨｉｇｈの状態になると、スイッチング素子がオン状態となり、ＬＥＤ光源２０に電流が流れる。点灯回路部３１２は、ＰＷＭ信号がＬｏｗの状態になると、スイッチング素子がオフ状態となり、ＬＥＤ光源２０への電流が阻止される（図９を参照）。このとき、点灯回路部３１２は、ＰＷＭ信号のデューティ比を調整することで、ＬＥＤ光源２０の光量を調整することもできるので、結果として、周期的なパルス波の期間において、パルス波のＨｉｇｈの期間を調整することにより、ＬＥＤ光源２０を調光することが可能となる。

ＬＥＤ劣化測定装置３０２において、ＬＥＤ光源２０の光量を変化させるためなどの理由で、パルス幅変調で点灯する点灯回路部３１２を備えている場合、ＬＥＤ光源２０の点灯の初期に毎回測定することで、ＬＥＤ光源２０の点灯中の間、ＬＥＤ光源２０の劣化が所定レベルに達しているかを判別することもできる。

また、ＬＥＤ点灯装置１０２は、点灯回路部３１２により、ＬＥＤ光源２０に流れる電流が絶対最大定格を超えてないように設計している。定格電流とは、予め設計されたＬＥＤ光源２０に流すことのできる最大の電流値をいう。

一般に、ＬＥＤ２０ａは、ＬＥＤ２０ａが破壊されることなく発光できるように電気的特性を設計した設計電流値を定格電流の値として規定されている。ＬＥＤ点灯装置１０２では、各ＬＥＤ２０ａの定格電流に基づいて、ＬＥＤ光源２０に流れる電流が絶対最大定格を超えないように、点灯回路部３１２を設計すればよい。

ＬＥＤ点灯装置１０２は、電源の投入時だけ交流でＬＥＤ光源２０を点灯させた後、直流でＬＥＤ光源２０を点灯させる。ＬＥＤ点灯装置１０２は、続けて、ＬＥＤ劣化測定装置３０２において、パルス波の立ち上がり時（図９の破線の楕円を参照）にＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性を測定する。

なお、本実施形態のＬＥＤ点灯装置１０２では、予め記憶部１にＬＥＤ光源２０の基準特性を記憶していれば、測定部２には電流検出部があればよく、測定部２に電圧検出部は、必ずしも必要ではない。また、本実施形態のＬＥＤ点灯装置１０２は、図８に示した構造だけに限られず、実施形態１や実施形態２の構成を適宜に用いて構成することもできる。
＜ＬＥＤ劣化測定装置＞
本発明に係るＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、ＬＥＤ光源２０の光束を測定する受光素子を備えていてもよい。受光素子を備えることにより、ＬＥＤ光源２０の劣化測定を行う場合、ＬＥＤ光源２０の半導体特性に起因する劣化か、ＬＥＤ光源２０を構成する樹脂などの劣化かを判別することも可能となる。

また、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、劣化判別部４，４１で判別したＬＥＤ光源２０の劣化の有無を表示する液晶装置などを利用した表示部や劣化判別部４で判別したＬＥＤ光源２０の劣化の有無を通知するブザーなどの音源部を備えていてもよい。

さらに、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、劣化判別部４，４１で判別したＬＥＤ光源２０の劣化の有無を有線や無線などにより送信する送信部を備えていてもよい。送信部から送信された信号を受信する受信装置は、送信部から送信された信号により、ＬＥＤ光源２０の劣化の有無を得ることができる。

ＬＥＤ光源２０の劣化測定は、正確にＬＥＤ２０ａの結晶構造の変化を捉えるために、恒温恒湿下で行われることが有用である。そのため、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、冷却ファンのような冷却手段、加熱手段やペルチェ素子などの恒温手段などを適宜備えていることが好ましい。また、ＬＥＤ光源２０の温度は、周囲温度に係らず、初期特性を測定した温度（たとえば、Ｔｃ＝２５℃）と同じにすると、ＬＥＤ光源２０の劣化具合を判別する信頼性を高めることが可能となる。

ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２において、ＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性を測定する際には、ＬＥＤ光源２０の点灯の立ち上がり時に測定することが好ましい。これにより、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２では、ＬＥＤ光源２０の光量が大きくなる前の電流値が小さい状態でＬＥＤ２０ａの順電圧−順電流特性を測定することができるため、比較的簡単な回路構成で順電圧−順電流特性を測定することが可能となる。

また、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、例えば、ＬＥＤ光源２０を８０ｍＡの順電流Ｉｆで定電流駆動させた場合、順電圧Ｖｆの所定の基準値となる予め測定した使用初期の値の１．１倍を閾値とする。なおこの閾値はＬＥＤの種類等によって変化させてよい。ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、ＬＥＤ光源２０の順電圧Ｖｆが設定した閾値の上限と下限の範囲外であれば劣化したと判別することができる。ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、例えば、記憶部１に記憶した順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がりの部分に対する使用初期の電圧値（たとえば、０．５Ｖ）より、測定部２の測定値が０．０５Ｖ以上高い場合、ＬＥＤ光源２０が劣化していると判別する。また、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、例えば、記憶部１に記憶した順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分に対する使用初期の電圧値（たとえば、０．５Ｖ）より、測定部２の測定値が０．０５Ｖ以上低い場合、ＬＥＤ光源２０が劣化していると判別する。これにより、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、ＬＥＤ光源２０の順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり部分を測定することで、ＬＥＤ光源２０の劣化具合が所定レベルに達しているかを比較的簡単に判別することが可能になる。
＜ＬＥＤ＞
本発明に係るＬＥＤ光源２０としては、ＬＥＤ２０ａ単体で構成されたものでもよいし、複数個のＬＥＤ２０ａを電気的に接続させたものでもよい。ＬＥＤ２０ａの電気的な接続状態は、複数個のＬＥＤ２０ａを電気的に直列接続させたものでもよいし、複数個のＬＥＤ２０ａを電気的に直並列接続させたものでもよい。

ＬＥＤ２０ａは、半導体発光素子であり、半導体のエピタキシャル成長や熱拡散などにより製造される。ＬＥＤ２０ａの例には、ＬＥＤ２０ａの半導体材料として、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＧａＡｓＰやＡｌＩｎＧａＰが含まれる。

ＬＥＤ２０ａは、基板の一面側に、ＡｌＮなど窒化物半導体材料のバッファ層を備えて構成することができる。ＬＥＤ２０ａは、バッファ層の基板とは反対側にｎ型半導体層２３を備えている。ｎ型半導体層２３は、ＳｉドープのＡｌＧａＮなどの窒化物半導体により構成することができる。ＬＥＤ２０ａは、ｎ型半導体層２３の基板とは反対側に、光が発光可能なＡｌＧａＮなどの窒化物半導体を用いた活性層２２を備えている。ＬＥＤ２０ａは、活性層２２におけるｎ型半導体層２３と反対側にｐ型半導体層２１を備えている。ｐ型半導体層２１は、ｐ型半導体層２１における活性層２２側に形成されたｐ型導電層と、活性層２２とは反対側に形成されたｐ型コンタクト層とを備えている。ｐ型導電層は、ＭｇドープのＡｌＧａＮなどの窒化物半導体により構成することができる。ｐ型コンタクト層は、ＭｇドープのＧａＮなどの窒化物半導体により構成することができる。

さらに、ＬＥＤ２０ａは、基板の上記一面側において、活性層２２およびｐ型半導体層２１の一部を残し、ｎ型半導体層２３を露出させる露出部が形成されたメサ構造を有している。ＬＥＤ２０ａは、ｎ型半導体層２３の露出部にカソード電極となるｎ電極を形成している。また、ＬＥＤ２０ａは、ｐ型コンタクト層を覆うように、アノード電極となるｐ電極を形成している。ｐ電極は、外部のボンディングワイヤ（図示していない）などと接続可能なボンディング用のパッド電極を好適に備えている。また、ＬＥＤ２０ａは、ｎ電極とｐ電極とが同一平面側に形成されている。ＬＥＤ２０ａは、例えば、活性層２２から放出された青色光を、より長波長の黄色光に波長変換する蛍光体を備え、白色を発光可能な構成としてもよい。ＬＥＤ２０ａは、ＬＥＤ２０ａに備えられる蛍光体として、例えば、Ｃｅで付活されたＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｃｅで付活されたＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２などのアルミネート系の蛍光体、Ｅｕが付活されたＢａ_２ＳｉＯ_４などのアルカリ土類珪酸塩系の蛍光体などを用いることができる。

ＬＥＤ２０ａは、基板の上記一面側に、バッファ層とｎ型半導体層２３と活性層２２とｐ型半導体層２１との積層構造物を有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などにより成膜することができる。ＬＥＤ２０ａは、ｎ型半導体層２３の一部が露出するように、上記積層構造物をｐ型半導体層２１側からｎ型半導体層２３の途中までエッチングすることで、メサ構造を形成することができる。

また、ＬＥＤ光源２０は、青色光を発光可能なＬＥＤ２０ａと、緑色光を発光可能なＬＥＤ２０ａと、赤色光を発光可能なＬＥＤ２０ａとを備えた構成としてもよい。青色光を発光可能なＬＥＤ２０ａは、青色光を発光可能なＩｎＧａＮよりなる活性層２２を有する構成とすることができる。緑色光を発光可能なＬＥＤ２０ａは、青色光を発光可能なＬＥＤ２０ａよりもＩｎの組成比が大きく、緑色光を発光可能なＩｎＧａＮよりなる活性層２２を有する構成とすることができる。赤色光を発光可能なＬＥＤ２０ａは、赤色光を発光可能なＡｌＩｎＧａＰよりなる活性層２２を有する構成とすることができる。

ＬＥＤ光源２０は、複数個のＬＥＤ２０ａを用いる場合、同種の半導体材料を用いたＬＥＤ２０ａごとにＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２を設けることが好ましい。ＬＥＤ２０ａは、活性層２２の半導体材料としてＩｎＧａＮを用いた場合、例えば、バンドギャップエネルギが２．６ｅＶとなる。ＬＥＤ２０ａは、活性層２２の半導体材料としてＡｌＩｎＧａＰを用いた場合、例えば、バンドギャップエネルギが１．９ｅＶとなる。ＬＥＤ２０ａは、半導体材料としてＩｎＧａＮを用いた場合とＡｌＩｎＧａＰを用いた場合とでは、バンドギャップエネルギが大きくことなり、電気的特性も大きく異なる。したがって、ＬＥＤ劣化測定装置３０，３０１，３０２は、ＬＥＤ２０ａの半導体材料が異なる場合、異なる半導体材料ごとに設けることが好ましい。

１記憶部
２測定部
３比較部
４，４１劣化判別部
５微分回路部
１０，１０１，１０２ＬＥＤ点灯装置
２０ＬＥＤ光源
２０ａＬＥＤ
３０，３０１，３０２ＬＥＤ劣化測定装置
３１，３１１，３１２点灯回路部

Claims

ＬＥＤの順電圧−順電流特性に基づいて、前記ＬＥＤの劣化具合を判断するＬＥＤ劣化測定装置であって、
前記ＬＥＤの順電圧−順電流特性を測定する測定部と、
使用初期の前記ＬＥＤについて測定された順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲を所定の基準値として記憶した記憶部と、
前記測定部により測定された順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲の測定値および前記基準値を比較して、前記測定値および前記基準値における各立ち上がり範囲の相違を出力する比較部と、
前記比較部から出力される前記立ち上がり範囲の相違に基づいて前記ＬＥＤの劣化具合が所定レベルに達しているか否かを判別する劣化判別部と、
を備えることを特徴とするＬＥＤ劣化測定装置。
前記比較部は、
前記測定部により測定される順電圧−順電流特性の特性曲線における立ち上がり範囲を２階微分して出力する微分回路部を有し、
前記微分回路部からの出力値を前記測定値として、前記出力値および前記基準値を比較する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ劣化測定装置。
前記比較部は、
前記測定部により測定される前記立ち上がり範囲における電圧の値を前記測定値とし、
前記電圧の値および前記基準値を比較する、
ことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ劣化測定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載のＬＥＤ劣化測定装置と、
前記ＬＥＤと電気的に接続され、所定の周波数のパルス波におけるデューティ比を変化させたパルス幅変調により前記ＬＥＤを点灯させる点灯回路部と、
を有し、
前記パルス波の立ち上がり時に、前記測定部により前記ＬＥＤの順電圧−順電流特性を測定する、
ことを特徴とするＬＥＤ点灯装置。