JP6787836B2

JP6787836B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP6787836B2
Application number: JP2017089282A
Authority: JP
Inventors: 鈴太郎高橋
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2037-04-28
Also published as: JP2018190489A

Description

本発明は、フィールドシーケンシャルカラー方式を採用する液晶表示装置に適したＬＥＤ照明装置に関する。

フィールドシーケンシャルカラー方式では、１つの画面を赤画面、緑画面、青画面に分解してから、赤画面、緑画面、青画面を連続して表示し、前述の１つの画面を再構成する。フィールドシーケンシャルカラー方式を採用する液晶表示装置として、例えば、特許文献１には、ベンド配光液晶を採用したＴＦＴアクティブマトリクス液晶パネル（以下「液晶パネル」という）と、液晶パネルの背面から赤、緑及び青の３色光を順次照射する面光源とを備えた液晶ディスプレイが示されている。この液晶ディスプレイは、液晶パネルに、赤画面を描画したら赤色光を照射し、次に緑画面を描画したら緑色光を照射し、青画面を描画したら青色光を照射する。また、複数の画面に対し、これらの過程を高速で繰り返すと、カラー動画表示が可能になる。

最近では、赤、緑及び青の３色光をＬＥＤから得るＬＥＤ照明装置が普及してきた。このＬＥＤ照明装置は、通常、スイッチングレギュレータを備えた電源によりＬＥＤに電力を供給している。上述の面光源は、このＬＥＤ照明装置で容易に置き換えることができる。

特開平１１−１４９８８号公報（図１）

照明用の電源は比較的大きな電力を扱うため、前述のスイッチングレギュレータは、許容電流の大きなコイルや大容量のコンデンサを必要とする。すなわち、液晶パネルを備え、フィールドシーケンシャル方式により画像を表示する液晶表示装置において、従来のＬＥＤ照明装置には照明用の電源に係る回路が大型化するという課題があった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、フィールドシーケンシャルカラー方式により画像を表示する液晶表示装置に取り付けても、照明用の電源に係る回路が大型化しないＬＥＤ照明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、本発明のＬＥＤ照明装置は、商用交流電源を全波整流する整流回路と、前記整流回路と接続し、赤色、緑色及び青色で発光する第１、第２及び第３ＬＥＤ列と、前記第１、第２及び第３ＬＥＤ列にそれぞれ直列接続する第１、第２及び第３定電流回路並びに第１、第２及び第３スイッチと、前記整流回路が出力する電圧に応じて前記第１、第２及び第３スイッチを制御するコントローラとを備え、前記整流回路が出力する電圧波形の１周期に、前記第１、第２及び第３ＬＥＤ列がそれぞれ発光する第１、第２及び第３期間を設け、前記第１、第２及び第３期間は、互いに重ならないことを特徴とする。

本発明のＬＥＤ照明装置では、商用交流電源を整流して得た電流が、直接的に、赤色、
緑色及び青色で発光するＬＥＤ列に流れ込む。また、商用交流電源を整流した電圧の値に応じて発光するＬＥＤ列が切り換わる。このため、商用交流電源を整流した後、平滑や電圧変換が行われない。すなわち、平滑や電圧変換があると大型化せざるを得ないコンデンサやコイルが不要になる。この結果、本発明のＬＥＤ照明装置は、フィールドシーケンシャルカラー方式により画像を表示する液晶表示装置に取り付けても照明用の電源に係る回路が大型化しない。

本発明の実施形態として示すＬＥＤ照明装置を組み込んだ液晶プロジェクターのブロック図である。図１で示すＬＥＤ照明装置の回路図である。図１で示すＬＥＤ照明装置の動作説明図である。

以下、図１〜３を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面間で同じブロック、部材及び制御信号は、同じ番号を付し、説明を繰り返さない。（）に特許請求の範囲で示す発明特定事項を記載する。

図１は、本発明の実施形態として示すＬＥＤ照明装置１０を含む液晶プロジェクター２０のブロック図である。液晶プロジェクター２０は、ＬＥＤ照明装置１０に加え、液晶パネル２１、投影レンズ２２、液晶パネル駆動回路２３を備えている。

ＬＥＤ照明装置１０は、整流回路１１と、コントローラ１２と、ＬＥＤ駆動回路１３と、ＲＧＢ光源１４とを備えている。整流回路１１は、商用交流電源１０ａが入力し、整流した電圧（全波整流電圧Ｖ１１ａ、図３（ａ）参照）及び電流（ＬＥＤ駆動電流１３ａ）を出力する（電力線１１ａ）。電力線１１ａは、コントローラ１２とＲＧＢ光源１４に接続している。コントローラ１２は、電力線１１ａの電圧値に基づき制御信号１２ａ、１２ｂを発生し、制御信号１２ａをＬＥＤ駆動回路１３に、制御信号１２ｂを液晶パネル駆動回路２３に出力する。ＬＥＤ駆動回路１３は、制御信号１２ａに基づいて、ＲＧＢ光源１４を発光させる。このとき、ＬＥＤ駆動電流１３ａは、ＲＧＢ光源１４からＬＥＤ駆動回路１３を経て整流回路１１に戻る。液晶パネル駆動回路２３は、液晶パネル２１に駆動用の制御信号及び電源２３ａを供給力する。

ＲＧＢ光源１４から出力された光は、放物面鏡１５で平行光となり液晶パネル２１に入射する。この光により液晶パネル２１に表示された画面が、投影レンズ２２を介してスクリーン（図示していない）に投影される。制御信号１２ｂにより液晶パネル駆動回路２３は、ＲＧＢ光源が、赤色発光、緑色発光及び青色発光しているタイミングに同期して、液晶パネル２１に赤画面、緑画面及び青画面を表示させる。

図２は、図１で示したＬＥＤ照明装置１０の回路図である。ＬＥＤ照明装置１０は、整流回路１１と、赤色で発光するＬＥＤ列１４１（第１ＬＥＤ列）、緑色で発光するＬＥＤ列１４２（第２ＬＥＤ列）及び青色で発光するＬＥＤ列１４３（第３ＬＥＤ列）と、定電流回路１３１、１３２、１３３（第１、第２及び第３定電流回路）、スイッチとして動作するＦＥＴ１３４、１３５、１３６（第１、第２及び第３スイッチ）と、コントローラ１２とを備えている。

整流回路１１は、４個のダイオード１１１、１１２、１１３、１１４からなる。ダイオード１１１〜１１４はダイオードブリッジを構成する。整流回路１１の入力端子１０１、１０２は、商用交流電源１０ａに接続する。整流回路１１は、電流が出力される端子と、電流が戻って来る端子を備えている。図２では、電流が出力される端子を電力線１１ａ、
電流が戻って来る端子をグランドレベルとしている。グランドレベルからみて電流が出力される端子の電圧波形は、全波整流波形（全波整流電圧Ｖ１１ａ、図３（ａ）参照）となる。

赤色で発光するＬＥＤ列１４１では、赤色発光する複数のＬＥＤ１４１ａが直列接続している。同様に緑色及び青色で発光するＬＥＤ列１４２、１４３では、緑色及び青色発光する複数のＬＥＤ１４２ａ、１４３ａが直列接続している。ＬＥＤ列１４１〜１４３のアノード端子は、整流回路１１の電流が出力される端子（電力線１１ａ）に接続されている。

定電流回路１３１、１３２、１３３は、プルアップ抵抗１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ、ＦＥＴ１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ、バイポーラトランジスタ１３１ｃ、１３２ｃ、１３３ｃ、電流検出抵抗１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄからなる。定電流回路１３１、１３２、１３３の電流入力端子は、ＬＥＤ列１４１、１４２、１４３のカソード端子と接続している。定電流回路１３１、１３２、１３３の電流出力端子は、ＦＥＴ１３４、１３５、１３６のドレインに接続している。定電流回路１３１、１３２、１３３の主たる電流経路は、ＦＥＴ１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂと電流検出抵抗１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄからなる直列回路である。定電流回路１３１、１３２、１３３は、電流検出抵抗１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄの両端間電圧を０．６Ｖに維持するようにして定電流動作する。

ＦＥＴ１３４、１３５、１３６のソースは、グランドに接続している。すなわちＦＥＴ１３４、１３５、１３６から出力されるＬＥＤ駆動電流１３ａ（ＬＥＤ駆動電流Ｉ１３１ａ、Ｉ１３２ａ、Ｉ１３３ａ、図３（ｂ）参照）は整流回路１１に戻る。ＦＥＴ１３４、１３５、１３６のゲートには、コントローラ１２から制御信号１２１ａ、１２２ａ、１２３ａが入力する（図１では制御信号１２ａで示していた）。コントローラ１２は、全波整流電圧Ｖ１１ａ（図３（ａ）参照）の電圧値を計測し、この計測した結果に基づき制御信号１２１ａ、１２２ａ、１２３ａを発生する。これと並行してコントローラ１２は、制御信号１２ｂを作成し液晶パネル駆動回路２３（図１参照）に出力する。

なお、定電流回路１３１、１３２、１３３及びＦＥＴ１３４、１３５、１３６は、図１で示したＬＥＤ駆動回路１３を構成する。ＬＥＤ列１４１、１４２、１４３は図１で示したＲＧＢ光源１４の赤色、緑色及び青色を発光する光源となる。

図３により、図２に示したＬＥＤ照明装置１０の動作について説明する。なお、図３の説明において指示なしに図１、２を参照する。図３は、ＬＥＤ照明装置１０の動作説明図であり、（ａ）は全波整流電圧Ｖ１１ａの波形図、（ｂ）はＲＧＢ光源から流れ出るＬＥＤ駆動電流１３ａの波形図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は制御信号１２１ａ、１２２ａ、１２３ａの波形図、（ｆ）は（ｄ）及び（ｅ）の一部分の拡大図である。（ａ）の縦軸は電圧Ｖ、（ｂ）の縦軸は電流Ｉ、（ａ）〜（ｅ）の横軸は時間ｔであり、（ａ）から（ｅ）の間で基準点及び間隔が共通である。

図３において、（ａ）では、電力線１１ａの電圧（全波整流電圧Ｖ１１ａ）として、全波整流波形の２周期分を表示している。全波整流電圧Ｖ１１ａは、周期が１０ｍｓで、ピークが１４４Ｖの正弦波（正の部分）である。（ｃ）に示す制御信号１２１ａは、１．２５ｍｓで立ち上がり、３．７５ｍｓで立ち下がる（第１期間）。同様に（ｄ）に示す制御信号１２２ａは、３．７５ｍｓで立ち上がり、６．２５ｍｓで立ち下がる（第２期間）。同様に（ｅ）に示す制御信号１２３ａは、６．２５ｍｓで立ち上がり、８．７５ｍｓで立ち下がる（第３期間）。すなわち、制御信号１２１ａ、１２２ａ、１２３ａがハイレベルになる期間（第１、第２、第３期間）の幅は２．５ｍｓである。

図３（ｂ）で示すように、第１期間において、制御信号１２１ａがハイレベルになると、ＦＥＴ１３４がオンになり、定電流回路１３１で決まるＬＥＤ駆動電流Ｉ１３１ａがＬＥＤ列１４１に流れる。同様に、第２期間において、制御信号１２２ａがハイレベルになると、ＦＥＴ１３５がオンになり、定電流回路１３２で決まるＬＥＤ駆動電流Ｉ１３２ａがＬＥＤ列１４２に流れる。第３期間において、制御信号１２３ａがハイレベルになると、ＦＥＴ１３６がオンになり、定電流回路１３３で決まるＬＥＤ駆動電流Ｉ１３３ａがＬＥＤ列１４３に流れる。

図３（ｂ）における電流値は、以下の条件で決めた一例である。ここで、ＬＥＤ列１４１の輝度を、ｎ（段）×Ｉ１３１ａ（Ａ）、とし、ＬＥＤ列１４２の輝度を、ｍ(段)×Ｉ１３２ａ（Ａ）、とする。ｎ、ｍは、ＬＥＤ列１４１、１４２におけるＬＥＤ１４１ａ、１４１ｂの直列段数である。また、ＬＥＤ１４１ａ、ＬＥＤ１４２ａは、青色ＬＥＤダイと蛍光体の組み合わせたものとし、それぞれの順方向ドロップ電圧Ｖｆを３Ｖとする。（ａ）に示すように、１．２５ｍｓにおける全波整流電圧Ｖ１１ａが５５Ｖなので、ｎは１８（５５（Ｖ）÷３（Ｖ））となる。同様に、３．７５ｍｓにおける全波整流電圧Ｖ１１ａが１３３Ｖなので、ｍは４４となる。ＬＥＤ列１４１の輝度とＬＥＤ列１４２の輝度を等しくする場合、（ｂ）に示されるようにＩ１３１ａ（Ａ）＞Ｉ１３２ａとなる。なお図（ｂ）では、Ｉ１３１ａとＩ１３３ａの値を等しくしている。

以上のケースでは、蛍光体の効率の違いは無視している。またＬＥＤ１４１ａ、ＬＥＤ１４２ａ、ＬＥＤ１４３ａとして、それぞれ赤色、緑色、青色で発光するダイを備えたＬＥＤとしても良い。この場合、それぞれのＬＥＤ１４１ａ、ＬＥＤ１４２ａ、ＬＥＤ１４３ａは順方向ドロップ電圧Ｖｆが異なる。すなわち、この順方向ドロップ電圧Ｖｆと、どのタイミングで第１〜第３期間を設定するかという条件にしたがって、それらの期間で最小となる全波整流電圧Ｖ１１ａに対し、Ｖ１１ａ（Ｖ）＞Ｖｆ（Ｖ）×ｋ（段）、となるようにＬＥＤ列１４１、１４２、１４３の直列段数ｋを決める。このとき、ＬＥＤ列１４１、１４２、１４３は、ＬＥＤ１４１ａ、１４２ａ、１４３ａの直列段数がｋ段の直並列回路であっても良い。また、ＬＥＤ駆動電流Ｉ１３１ａ、Ｉ１３２ａ、Ｉ１３３ａの値は、電流制限抵抗１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄで調整する。

図３（ｆ）に示すように、制御信号１２２ａの立下りタイミングと、制御信号１２３ａの立ち上がりタイミングをずらすと良い（制御信号１２１ａと制御信号１２２ａの関係も同様）。すなわちこのずれた期間ではＲＧＢ光源１４は消灯している。このずれた期間で液晶パネル２１を緑画面から青画面に書き変え、表示画面を安定化させる。その後、ＲＧＢ光源１４を青色発光させることにより、スクリーン上に投影される画像に乱れがなくなり画質が向上する。

以上のようにして、液晶プロジェクター２０は、液晶パネル２１に赤色画面が表示されたら、液晶パネル２１にＬＥＤ照明装置１０から赤色光を照射し赤色画面を投影する。同様に、液晶プロジェクター２０は、液晶パネル２１に緑色及び青色画面が表示されたら、液晶パネル２１にＬＥＤ照明装置１０から緑色及び青色光を照射し緑色及び青色画面を投影する。このときＬＥＤ照明装置１０は、商用交流電源１０ａを整流して得たＬＥＤ駆動電流１３ａが、直接的に、赤色、緑色及び青色で発光するＬＥＤ列１４１、１４２、１４３に流れ、商用交流電源１０ａの電圧値に応じて発光色が切り換わる。すなわちＬＥＤ駆動電流１３ａが、第１、第２、第３期間に対しＬＥＤ駆動電流Ｉ１３１ａ、Ｉ１３２ａ、Ｉ１３３ａに振り分けられる。このため商用交流電源１０ａを整流した後、平滑や電圧変換が行われない。すなわち、平滑や電圧変換があると大型化せざるを得ないコンデンサやコイルが不要になる。この結果、ＬＥＤ照明装置１０は、フィールドシーケンシャルカラー方式により画像を投影表示する液晶プロジェクター２０（液晶表示装置）に取り付けても照明用の電源に係る回路が大型化しない。

ＬＥＤ照明装置１０では、全波整流電圧Ｖ１１ａの０クロス点を基準として、赤色発光する第１期間を１．２５〜３．７５ｍｓ、緑色発光する第２期間を３．７５〜６．２５ｍｓ、青色発光する第３期間を６．２５〜８．７５ｍｓとしていた。しかしながら本発明のＬＥＤ照明装置では、各色の発光期間はこれだけに限定されない。例えば、ＬＥＤ照明装置１０に対し、青色発光する第３期間を１．２５〜２．５０ｍｓと７．５０〜８．７５ｍｓ、赤色発光する第１期間を２．５０〜３．７５ｍｓと６．２５〜７．５０ｍｓ、緑色発光する第２期間を３．７５〜６．２５ｍｓとしても良い。このとき、ＬＥＤ列１４１の直列段数を３４段（２．５０ｍｓ時の全波整流電圧Ｖ１１ａを１０２Ｖ、ＬＥＤ１４１ａの順方向ドロップ電圧を３Ｖとする）にできるため、定電流回路１３１における電力損失を低減でき、発光効率を向上させられる。

ＬＥＤ照明装置１０は、商用交流電源１０ａの電圧（実効値）が安定していることを前提にしていた。しかしながら、商用交流電源１０ａの実効値が変動する場合がある。このとき商用交流電源１０ａの瞬時的な電圧（全波整流電圧Ｖ１１ａ）に基づいて第１〜第３期間を設定すると、第１〜第３期間の幅も実効値の変動に連動して変化してしまう。そこで実効値（又はピーク電圧）を計測し、第１〜第３期間を決める電圧を調整すると良い。例えば、コントローラ１２に内蔵されるコンパレータの基準電圧を商用交流電源１０ａの実効値変動に合わせて微調整すれば良い。なお、コントローラ１２は、通常、ＩＣ化されるので、サイズの問題は生じないうえ、良く知られた様々な機能を盛り込むことが可能である。さらに、コントローラ１２と液晶パネル駆動回路２３とを一体化しても良い。第１〜第３期間を設定するのに、全波整流電圧Ｖ１１ａの０クロス点を基準とするタイマーを用いても良い。また、商用交流電源１０ａの実効値が下がったときでもＬＥＤ列１４１〜１４３に電流を流せるよう直列段数を設定しておく必要がある。

１０…ＬＥＤ照明装置、
１０ａ…商用交流電源、
１１…整流回路、
１１ａ…電力線、
１２…コントローラ、
１２ａ、１２ｂ、１２１ａ、１２２ａ、１２３ａ…制御信号、
１３…ＬＥＤ駆動回路、
１３ａ、Ｉ１３１ａ、Ｉ１３２ａ、Ｉ１３３ａ…ＬＥＤ駆動電流、
１４…ＲＧＢ光源、
１５…放物面鏡、
２０…液晶プロジェクター、
２１…液晶パネル、
２２…投影レンズ、
２３…液晶パネル駆動回路、
２３ａ…液晶パネル駆動用の制御信号及び電源、
１０１、１０２…入力端子、
１１１〜１１４…ダイオード、
１３１〜１３３…定電流回路（第１、第２、第３定電流回路）、
１３１ａ、１３２ａ、１３３ａ…プルアップ抵抗、
１３１ｂ、１３２ｂ、１３３ｂ…ＦＥＴ、
１３１ｃ、１３２ｃ、１３３ｃ…バイポーラトランジスタ、
１３１ｄ、１３２ｄ、１３３ｄ…電流検出抵抗、
１３４〜１３６…ＦＥＴ（第１、第２、第３スイッチ）、
１４１〜１４３…ＬＥＤ列（第１、第２、第３ＬＥＤ列）、
１４１ａ…赤色発光ＬＥＤ、
１４１ｂ…緑色発光ＬＥＤ、
１４１ｃ…青色発光ＬＥＤ、
Ｖ１１ａ…全波整流電圧。

Claims

商用交流電源を全波整流する整流回路と、
前記整流回路と接続し、赤色、緑色及び青色で発光する第１、第２及び第３ＬＥＤ列と、
前記第１、第２及び第３ＬＥＤ列にそれぞれ直列接続する第１、第２及び第３定電流回路並びに第１、第２及び第３スイッチと、
前記整流回路が出力する電圧に応じて前記第１、第２及び第３スイッチを制御するコントローラとを備え、
前記整流回路が出力する電圧波形の１周期に、前記第１、第２及び第３ＬＥＤ列がそれぞれ発光する第１、第２及び第３期間を設け、
前記第１、第２及び第３期間は、互いに重ならないことを特徴とするＬＥＤ照明装置。