JP6226592B2

JP6226592B2 - Ｌｅｄ表示装置

Info

Publication number: JP6226592B2
Application number: JP2013143185A
Authority: JP
Inventors: 俊彦宮内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: JP2015018618A

Description

この発明は、電気機器等の表示部に用いられるＬＥＤ表示装置に関するものである。

ＬＥＤを使用した表示装置は、通常、ＬＥＤの点灯時間が多くなれば輝度が低下する。従来の、ＬＥＤを用いた照明システムとしては、例えば、ＬＥＤユニットの点灯時間をカウントするタイマと、ＬＥＤユニットの各ＬＥＤの特性変動に対する光出力補正テーブルが格納された記憶部とを具備し、演算処理部において、タイマでカウントされたＬＥＤユニットの累積点灯時間に基づいて、記憶部内の光出力補正テーブルを参照し、その光出力補正テーブルの内容に従って各ＬＥＤ回路への供給電力を制御し、ＬＥＤユニットの出射光により生成される白色光の色度が点灯期間中において常に一定となるように点灯制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３１８７７３号公報（第５頁、図１）

特許文献１に示すＬＥＤ照明システムは、各ＬＥＤの点灯時間経過に伴う光束減衰に応じ、ＬＥＤユニットのＲ、Ｇ、Ｂ各色のＬＥＤへの電力供給量を点灯時間経過に連動して自動的に調節できるため、ＬＥＤユニットの点灯期間中において常に一定色度の白色光を得るという効果が得られる。ＬＥＤを「照明装置」に使用する場合は、色度を一定に保つことや明るさを落とさないことは重要である。
しかしながら、ＬＥＤを電気機器等の「表示装置」として使用する場合は、長寿命化の方が重要視される場合がある。特許文献１のようなＬＥＤ照明システムでは、寿命の観点からすれば、ＬＥＤの寿命を十分に生かし切れてないという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、ＬＥＤの長寿命化を図ると共に、輝度の安定化を図るＬＥＤ表示装置を得ることを目的とする。

この発明に係るＬＥＤ表示装置は、ＬＥＤを有するＬＥＤ表示部と、タイマ機能を有しＬＥＤ表示部の点灯を制御する制御部と、ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性データを記憶する記憶部とを備え、制御部において、ＬＥＤの初期輝度が定格順電流の初期値に対応する寿命時の輝度近傍となるように順電流の初期値を設定し、タイマ機能で計測したＬＥＤの点灯時間から特性データを参照して輝度の低下度合いを推測し、寿命時の輝度以下とならないように、順電流を増加させる電流制御を行うようにしたものである。

この発明のＬＥＤ表示装置によれば、制御部において、ＬＥＤの初期輝度が定格順電流の初期値に対応する寿命時の輝度近傍となるように順電流の初期値を設定し、タイマ機能で計測したＬＥＤの点灯時間から特性データを参照して輝度の低下度合いを推測し、寿命時の輝度以下とならないように、順電流を増加させる電流制御を行うようにしたので、ＬＥＤの長寿命化を図ることができると共に、順電流を下げることで省電力化により経済性が向上する。また、長時間に亘って輝度を安定化させることができる。

この発明の実施の形態１によるＬＥＤ表示装置の構成を示すブロック図である。図１のＬＥＤ表示装置に使用されるＬＥＤの輝度・点灯時間特性図である。一般的なＬＥＤの輝度と順電流の関係を示す図である。人間の明暗の感覚と輝度の関係を説明する説明図である。図１のＬＥＤ表示装置の順電流制御を説明する説明図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるＬＥＤ表示装置の概略構成を示すブロック図である。
図１（ａ）に示すように、ＬＥＤ表示装置は、ＬＥＤ表示部１と、ＬＥＤ表示部１を制御する制御部２と、制御に必要なデータを記憶する記憶部３とを有している。
ＬＥＤ表示部１は、ＬＥＤ４と、ＬＥＤ４に電流制御用の抵抗５を介して正電源電圧（Ｖｃｃ）が印加される電源端子６と、電流ドライバ７を有している。
制御部２は、ＬＥＤ表示部１に供給する駆動電流、すなわち順電流を制御するためのＣＰＵとタイマ機能を有し、ＬＥＤ４の点灯時間を計測してＬＥＤ４の輝度を所定の明るさに制御する。
記憶部３は、記憶デバイスとして、バッテリとＳＲＡＭ，ＭＲＡＭの組み合わせや、スーパーキャパシタとＳＲＡＭの組み合わせ等が用いられる。この記憶部３には、ＬＥＤ４の輝度・点灯時間の特性データ等が記憶されている。
図１（ｂ）は、ＬＥＤ表示部１に供給される順電流のデューティ制御の一例を示すもので、詳細は後述する。

本実施の形態のＬＥＤ表示装置の機能を説明する前に、ＬＥＤ４の寿命特性について、図２及び図３により説明する。表示用のＬＥＤの場合、一般的に、光束維持率５０％を寿命としている。つまり、輝度の初期値を１００％とすれば、輝度が５０％に低下した時点で寿命と判断する。
図２は、ＬＥＤ４の輝度・点灯時間の特性を示す特性図である。なお、図中ではＬＥＤ４を駆動する順電流をＩＦと略している。
図２では、順電流が５ｍＡ，１０ｍＡの場合を例にあげて、縦軸を輝度、横軸を点灯時間で表し、各ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性曲線を示している。

図２に示すように、ＬＥＤの輝度は、一般的に点灯時間とともに低下していく。ただし、直線的に低下するのではなく、始めはほとんど輝度の低下がなく、ある時間を過ぎれば低下度合いが大きくなる。例えば、順電流５ｍＡでＬＥＤを駆動した場合であれば、点灯時間が１万時間くらいまでは輝度の低下がほとんどないが、それを過ぎれば低下傾向が大きくなり、約２０万時間では初期輝度に対して５０％に低下して寿命となる。
また、順電流値にほぼ反比例して寿命時間が延びる。素子によって多少は異なるが、おおよそ順電流を半分にすると寿命時間は２倍になる。順電流が１０ｍＡでは寿命が約１０万時間に対し、５ｍＡでは約２０万時間となっている。

図３は、一般的なＬＥＤの輝度と順電流との関係を示す特性図である。図３に示すように、輝度は順電流とほぼ比例関係にあり、順電流が増えると輝度は増加する。
また、図４は、人間の明暗の感覚と輝度の関係を説明する説明図である。図４に示すように、一般的な人間の明暗の感覚は、輝度がある閾値を超えると、明るさの度合いはほとんど判断できない。例えば、図４の場合であると、輝度が２０ｍｃｄ／ｍ^２以下になると暗いと感じ、４０ｍｃｄ／ｍ^２を越えると明るいと感じる。その間は徐々に明暗が変わることになる。
したがって、この場合、ＬＥＤの輝度は、４０ｍｃｄ／ｍ^２以上に設定しても明るいと感じるだけであり、寿命の観点から考えた場合には、４０ｍｃｄ／ｍ^２以上の輝度は寿命を短くするだけで、あまり意味がない。よって、２０〜４０ｍｃｄ／ｍ^２に初期輝度を設定することで、最も寿命を延ばすことができる。本願発明は、上記のような考え方を基になされたものである。

先に説明したように、表示用のＬＥＤでは、ＬＥＤの寿命時間を、輝度が初期値の５０％に低下した時点としているため、上記の様なＬＥＤの特性から、従来のように単純にＬＥＤを使用する場合、輝度の初期値は寿命時点の輝度の２倍に設計する必要があった。
本願発明は、ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性を考慮し、ＬＥＤの駆動電流（順電流）と寿命時間の相関を利用して、ＬＥＤの輝度を安定させながら寿命を延ばすようにした点に特徴を有するので、以下、この動作について説明する。

図５は、ＬＥＤ４の輝度・点灯時間特性を考慮した、本願発明の順電流制御を説明する説明図である。図の上段側のグラフは、輝度・点灯時間の特性曲線である。このうち、実線で示す曲線が本願の特性曲線である。一点鎖線は順電流が１０ｍＡ、破線は５ｍＡの場合で、いずれも最初から最後までそれらの順電流で補正無しに電流制御した場合の曲線であり、参考として示すものである。
下段のグラフは、本願の順電流と点灯時間との関係を示す図である。なお、使用するＬＥＤ４は、順電流が１０ｍＡのとき輝度が１００ｍｃｄ／ｍ^２のもので説明する。

寿命時の輝度が初期値の５０％であるということは、言い替えれば輝度は初期値の５０％までは許容されていることになるので、本願の点灯制御は、最初から輝度が５０％近傍となるような順電流でスタートするものである。以下では、分かりやすいように、ちょうど５０％とした場合で説明する。
図に示すように、順電流の初期値を定格順電流の５０％の５ｍＡとし、輝度を１００ｍｃｄ／ｍ^２の５０％の５０ｍｃｄ／ｍ^２でスタートする。順電流が５ｍＡの場合は、点灯時間が約１万時間を越えると輝度の低下度合いが大きくなり始める。そこで、輝度を寿命輝度以下に低下させないように、約１万時間経過後から順電流を徐々に増加させるように制御する。ＬＥＤ４の輝度・点灯時間の特性データと寿命時の輝度は記憶部３に記憶されているので、特性データのカーブと逆方向のカーブで順電流値を定格順電流に向けて増加させて行けば輝度はほぼ初期値を維持できることになる。

順電流を５ｍＡとし途中補正無しで駆動した場合は、図中の破線で示すように、寿命は約２０万時間であるが輝度は途中から低下してしまう。また、順電流を１０ｍＡとし途中補正無しで駆動した場合は、一点鎖線で示すように、寿命は約１０万時間である。
本願の場合は途中から順電流を５ｍＡより増加させているので、５０ｍｃｄ／ｍ^２の輝度を維持しながら、寿命は２０万時間には達しないものの少なくとも１５万時間程度以上は確保できる。
すなわち、順電流が１０ｍＡのＬＥＤを、最初から１０ｍＡで使用すれば、図中に一点鎖線で示すような輝度曲線をたどり、約１０万時間で寿命となるが、本願の場合は、実線で示すようになり、寿命を１．５倍〜２倍近くまで延ばすことが可能となる。

ＬＥＤ４の点灯時間は、制御部２のタイマ機能で計測し、記憶部３に記憶させることでＬＥＤ点灯経過時間をカウントする。
輝度・点灯時間の特性データは、順電流によりほぼ決まるので、予め、複数の順電流の特性データを記憶させておけばよい。
ＬＥＤ４の順電流制御は、例えば、図１（ｂ）に示すようなデューティ制御により、デューティ比を変えることで調整可能である。図は５ｍＡの順電流を得る場合を示している。デューティ制御の１サイクルの周期はちらつき防止のため１００Ｈｚ以上が望ましい。

なお、上記の説明では、順電流の初期値を定格順電流の５０％とし、初期輝度も５０％としたが、実際は、輝度・点灯時間の特性曲線は、図のようにきれいな曲線ではないので、ＬＥＤの初期輝度が寿命時の輝度よりは高く、寿命時の輝度近傍となるように、順電流値の初期値に設定しておく。また、特性曲線は途中までほぼ輝度が変化しないものとしたが、必ずしもこのようにならない場合もあるので、要は、ＬＥＤの点灯時間から特性データを参照して輝度の低下度合いを推測し、寿命時の輝度以下とならないように、輝度曲線の低下方向とは逆に、順電流を徐々に増加させるように電流制御するものである。

次に、図１，５で説明したＬＥＤ表示装置の変形例について説明する。
ＬＥＤ４の寿命特性は、ＬＥＤの構成材料（チップ、封止樹脂、蛍光体等）と、発光波長によっても異なり、また寿命劣化の要因として、ＬＥＤチップ自身の光学特性劣化、封止樹脂の透過率の低下、蛍光体の特性変化等があげられるため、特性カーブは、図２や図５のような単純なカーブにならない場合がある。
そのような場合は、予め、実際に使用するＬＥＤの上記劣化を考慮した特性カーブを入手しておき、その特性カーブを記憶部３に記憶させて、上記と同様な制御を行えば、さらに精度の高い補正が行える。

なお、本実施例では、駆動電流を１００％から５０％の下げた例で説明したが、５０％から２５％など、駆動電流初期値は必要な輝度のよって決定するもので、基準を１００％に限定するものでは無い。

また、別の変形例として、ＬＥＤ４の輝度を調整する機能を備え、例えば、周囲環境の明るさに応じて輝度１００％と輝度５０％とに切り換えて使用するようなＬＥＤ表示装置の場合では、ＬＥＤ４を駆動する順電流が一定電流にならないが、その場合は、順電流と点灯時間の積算によって劣化程度の推定が可能である。例えば、図５において、順電流５ｍＡで制御時に、５ｍＡで５千時間点灯し、途中に１０ｍＡで２千時間点灯したとすれば、１０ｍＡ点灯部分は５ｍＡで４千時間点灯したものと略同じなので、累計、５ｍＡで９千時間点灯したことになる。このように、駆動電流・点灯時間積のデータを積算して行けば、特性データを補正できるので、その補正データを参照して、逆方向に順電流を増加させていけば、図４の場合と同様な制御を行うことができる。

更に、ＬＥＤ４の輝度劣化の要因として使用温度条件がある。そこで、別途、制御部２に温度計測手段を設けると共に、輝度・点灯時間特性曲線に対する温度補正データも用意して記憶部３に記憶させておき、常時、温度を計測し、特性曲線を温度補正してその補正データを参照するようにすれば、さらに精度の高い順電流制御が可能となる。
また、使用温度条件によって、輝度も若干ではあるが変化するため、温度データにより輝度変化分を補正して電流制御すれば、さらに輝度安定化を図ることが可能である。

以上のように、実施の形態１のＬＥＤ装置によれば、ＬＥＤを有するＬＥＤ表示部と、タイマ機能を有しＬＥＤ表示部の点灯を制御する制御部と、ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性データを記憶する記憶部とを備え、制御部において、ＬＥＤの初期輝度が定格順電流の初期値に対応する寿命時の輝度近傍となるように順電流の初期値を設定し、タイマ機能で計測したＬＥＤの点灯時間から特性データを参照して輝度の低下度合いを推測し、寿命時の輝度以下とならないように、順電流を増加させる電流制御を行うようにしたので、ＬＥＤの長寿命化を図ることができると共に、順電流を下げることで省電力化により経済性が向上する。また、長時間に亘って輝度を安定化させることができる。

また、ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性データとして、実際に使用されるＬＥＤの固有データを用いたものでは、ＬＥＤの輝度の個体間のばらつきがあっても、精度よく長寿命化を図ることができる。

また、制御部は、ＬＥＤの輝度を複数に切り換える機能を有し、切り換えるそれぞれの輝度における順電流と点灯時間の積の積算データと、特性データとから、輝度の低下度合いを推測するようにしたので、例えば、周囲環境の明るさに応じて輝度を変化させるＬＥＤ表示装置に適用して同様の効果を得ることができる。

また、制御部は、さらに温度計測手段を有し、記憶部にはＬＥＤの温度補正データが記憶されており、温度計測手段から得られる温度情報により特性データを温度補正するように構成されているので、輝度及び寿命の温度による影響が補正されて、精度良く長寿命化を図ることができる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、実施の形態の実施例を自由に組み合わせたり、適宜、変更、省略したりすることが可能である。

１ＬＥＤ表示部、２制御部、３記憶部、４ＬＥＤ、５抵抗、６電源端子、７電流ドライバ。

Claims

ＬＥＤを有するＬＥＤ表示部と、タイマ機能を有し前記ＬＥＤ表示部の点灯を制御する制御部と、前記ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性データを記憶する記憶部とを備え、
前記制御部において、前記ＬＥＤの初期輝度が定格順電流の初期値に対応する寿命時の輝度近傍となるように順電流の初期値を設定し、前記タイマ機能で計測した前記ＬＥＤの点灯時間から前記特性データを参照して輝度の低下度合いを推測し、前記寿命時の輝度以下とならないように、前記順電流を増加させる電流制御が行われることを特徴とするＬＥＤ表示装置。
請求項１記載のＬＥＤ表示装置において、
前記ＬＥＤの輝度・点灯時間の特性データとして、実際に使用されるＬＥＤの固有データが用いられていることを特徴とするＬＥＤ表示装置。
請求項１または請求項２に記載のＬＥＤ表示装置において、
前記制御部は、前記ＬＥＤの輝度を複数に切り換える機能を有し、切り換えるそれぞれの前記輝度における順電流と点灯時間の積の積算データと、前記特性データとから、前記輝度の低下度合いを推測することを特徴とするＬＥＤ表示装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＬＥＤ表示装置において、
前記制御部は、さらに温度計測手段を有し、前記記憶部には前記ＬＥＤの温度補正データが記憶されており、前記温度計測手段から得られる温度情報により前記特性データを温度補正するように構成されていることを特徴とするＬＥＤ表示装置。