JP2002134284A - 白色発光ダイオ−ドの駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 色温度と輝度を簡単な構成によって調整する
ことができる調整手段を備えた白色発光ダイオ−ドの駆
動装置を提供すること。 【解決手段】 青色発光の励起素子（ＬＥＤチップ）の
発光光を蛍光体によって白色光に変えて放射する白色発
光ダイオ−ド２３の駆動装置において、白色発光ダイオ
−ド２３の駆動電流路に設けたトランジスタＴ１を制御
するパルス発振回路３１を備えた駆動回路を設け、この
駆動回路により白色発光ダイオ−ド２３をパルス電流で
駆動すると共に、パルス電流の平均電流値、デュ−ティ
比を変化させ、放射する光の色温度と輝度を調整する構
成としてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、照明器具、ディ
スプレイ、表示器のバックライト、センサ−用光源など
として使用する白色発光ダイオ−ドの駆動装置に関し、
特に、色温度、輝度を調整する調整手段を備えた駆動装
置となっている。

【０００２】

【従来の技術】高輝度の単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ
系青色、緑色発光ダイオ−ドが開発されたことにより、
発光ダイオ−ドが、携帯電話のボタン照明に用いられる
点光源、液晶のバックライト、卓上の照明、画像読み取
りのスキャナ−用センサ−など広い分野で使用されるよ
うになった。また、その理由の一つとして白色発光ダイ
オ−ドが実現できるようになったことが上げられる。

【０００３】白色発光ダイオ−ドは次の方法で実現して
いる。 青色発光の励起素子と、この励起素子の発光光を白
色光に変える蛍光体とで構成する。 青色発光ダイオ−ドと、その発光の補色関係にある
発光ダイオ−ドを用いて構成する。 赤色発光ダイオ−ド、緑色発光ダイオ−ド、青色発
光ダイオ−ドの三色の発光を用いて構成する。

【０００４】上記の他に、ＣｄＺｎＳｅ／ＺｎＳｅを用
いた励起素子の青緑発光とＰＬ（Ｐｈｏｔｏ Ｌｕｍｉ
ｎｅｃｅｎｓｅ）による黄橙色発光を用いる構成のも
の、また、紫外線光を発光する励起素子と、紫外線光で
赤、緑、青の各色を励起する蛍光体とを組み合わせた構
成のものとがある。

【０００５】そして、特に、青色発光の励起素子と蛍光
体との組み合わせ構成の白色発光ダイオ−ドが提案され
たことから、この発光ダイオ−ドが従来のＣＦＬや平面
冷陰極管を使用した光源として、また、電球光源に換え
て使用されるようになってきた。

【０００６】青色発光の励起素子と蛍光体の組み合わせ
からなる白色発光ダイオ−ドの一例を図１３〜図１５に
示す。図１３は、単一量子井戸構造のＩｎＧａＮ青色発
光素子の構成例を示し、１１はサファイヤ基板、１２は
ｎ型半導体（ｎ型ＧａＮ）、１３はＰ型半導体（Ｐ型Ｇ
ａＮ）、１４はｎ−電極、１５はＰ−電極である。

【０００７】白色発光ダイオ−ド２０は上記の青色発光
素子を励起素子（ＬＥＤチップ）１６として図１４、図
１５のように構成されている。すなわち、アノ−ドとカ
ソ−ドの引き出し電極が形成された絶縁性基板１７に上
記の励起素子１６がダイボンディングされ、また、ｎ−
電極１４とＰ−電極１５とが金線によって引き出し電極
に接続されている。

【０００８】そして、ＹＡＧ：Ｃｅ蛍光体を混ぜた透明
のエポキシ樹脂１８が励起素子１６を覆うようにして絶
縁性基板１７に一体的に設けられている。このように構
成された白色発光ダイオ−ド２０は、励起素子１６の青
色発光光が蛍光体によって吸収され、図１６に示すよう
に、４６０ｎｍ付近にピ−クをもつ白色の光がエポキシ
樹脂１８を通して照射される。

【０００９】なお、図１６は周囲温度Ｔａ＝２５℃、駆
動電流ＩＦ＝２０ｍＡで発光させたときの発光スペクト
ルを示す。また、上記白色発光ダイオ−ド２０は、構造
がＭＩＤ(ｍｏｌｄｅｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉ
ｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ)である場合もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】青色発光の励起素子１
６と蛍光体との組み合わせ構成の白色発光ダイオ−ド２
０は、励起素子１６の出力、波長のバラツキの他、蛍光
体の量、蛍光体の励起波長のバラツキなどによって白色
光分布が広くなってしまう。

【００１１】図１７は、白色発光ダイオ−ド２０の白色
分布を色温度図上に示した図であり、この色温度図上に
示すａ０、ｂ１、ｂ２、ｃ０は識別機によって輝度と併
せて選別できる色温度のエリアを示している。識別機で
は、輝度は√２倍ごとに３段階に分け、色温度選別と併
せて１２通りの組み合わせで管理するようになってい
る。

【００１２】しかし、実際には、色ロッド間のバラツ
キ、輝度のバラツキが発生する。特に、複数の白色発光
ダイオ−ドを同一装置に装備する場合、隣り合う発光ダ
イオ−ドの色温度と輝度のバラツキによって装置品位が
悪くなり、表示器としても、センサ−としても仕様を満
足せず不良となることがある。

【００１３】色温度と輝度のバラツキを少なくするた
め、選別機の選別幅を狭く設定することができるが、選
別機の能力、選別時間に基づくコストアツプを考えた場
合、有効な手段ではない。

【００１４】また、選別機では通常２０ｍＡの駆動電流
を流して選別するが、実際に装置に組み込んだ白色発光
ダイオ−ドは２０ｍＡで駆動せずに、装置に合せて駆動
電流を変えることが多い。このため、図１８に示すよう
に、駆動電流に色温度の依存性が現われ、色温度のバラ
ツキが生ずる。

【００１５】このような色温度のバラツキを防ぐために
は、発光ダイオ−ドを装置に装備して駆動する電流毎に
選別機による選別を行なわなければならないが、この選
別方法は設定条件が多岐にわたり現実的ではない。

【００１６】この結果、２０ｍＡの駆動電流で選別され
た白色発光ダイオ−ドを使用することになり、装置の最
終検査工程で仕様を満足しないものが生じ、これが不良
品として取り扱われていた。このことから、最終検査工
程で不良をなくす方法として、選別機による選別によら
ないで色温度、輝度を調整する方法が必要とされてい
た。

【００１７】本発明は上記した実情にかんがみ、色温度
と輝度とを簡単な構成手段によって調整することがで
き、色温度と輝度のバラツキを可能なるかぎり少なくす
ることができる白色発光ダイオ−ドの駆動装置を提案す
ることを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明では、第１の発明として、青色光或いは紫
外線光を発光する励起素子の発光光を蛍光体によって白
色光に変えて放射する白色発光ダイオ−ドの駆動装置に
おいて、パルス電流で駆動する駆動手段と、上記パルス
電流の平均電流値及び／又はデュ−ティ比を変化させ、
放射する光の色温度及び／又は輝度を調整する調整手段
とを備えて構成したことを特徴とする白色発光ダイオ−
ドの駆動装置を提案する。

【００１９】第２の発明として、発光色の異なる複数の
励起素子の発光光を蛍光体によって白色光に変えて放射
する白色発光ダイオ−ドの駆動装置において、パルス電
流で駆動する駆動手段と、上記パルス電流の平均電流値
及び／又はデュ−ティ比を変化させ、放射する光の色温
度及び／又は輝度を調整する調整手段とを備えて構成し
たことを特徴とする白色発光ダイオ−ドの駆動装置を提
案する。

【００２０】第３の発明として、上記した第１の発明ま
たは第２の発明において、複数の白色発光ダイオ−ドを
備えた一つのＬＥＤランプを設けると共に、各々の白色
発光ダイオ−ドをパルス電流で駆動する駆動手段と、上
記パルス電流の平均電流値及び／又はデュ−ティ比を変
化させ、放射する光の色温度及び／又は輝度を調整する
調整手段とを備えて構成したことを特徴とする白色発光
ダイオ−ドの駆動装置を提案する。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の一実施形態につい
て図面に沿って説明する。図１は拡散光源装置として実
施した正面図、図２は図１上のＡ−Ａ線断面図である。

【００２２】この拡散光源装置は、図示するように、導
光板２１をケ−ス２２内に配置すると共に、この導光板
２１の側部となるケ−ス２２内位置に白色発光ダイオ−
ド２３が配置してある。なお、白色発光ダイオ−ド２３
は図１３、図１４に示した発光ダイオ−ド２０と同様の
ものである。

【００２３】そして、導光板２１の面上には拡散シ−ト
２４を、その下面に反射シ−ト２５を各々設け、さら
に、窓２６を形成したカバ−２７をケ−ス２２に被せた
構成としてある。なお、白色発光ダイオ−ド２３の引き
出し電極に接続したリ−ド線はケ−ス２２を通して外方
に引き出してある。

【００２４】このように構成した拡散光源装置は、白色
発光ダイオ−ド２３を発光させると、その発光光が導光
板２１に入り、導光板２１で反射屈折し、拡散シ−ト２
４で拡散を起こす。これより、拡散光が反射シ−ト２５
などで反射されて窓２６を通して放射される。

【００２５】上記した拡散光源装置は、白色発光ダイオ
−ド２３をパルス電流で駆動して発光させ、また、パル
ス電流の平均電流値またはデュ−ティ比（ｄｕｔｙ ｆ
ａｃｔｏｒ）を変化させて色温度と輝度とを調整する。
すなわち、色温度の調整と輝度の調整にしたがってパル
ス電流の平均電流値またはデュ−ティ比を変化させて調
整する。

【００２６】図３は白色発光ダイオ−ド２３を駆動する
回路例を示す図である。この駆動回路は、ＩＣからなる
パルス発振回路３１を備え、抵抗Ｒ１、Ｒ２、コンデン
サＣ１の設定値にしたがってこのパルス発振回路３１が
スイッチング動作用のトランジスタＴ１を制御し、白色
発光ダイオ−ド２３を駆動するパルス電流のパルス幅と
周波数を変化させ、また、抵抗Ｒ３の設定値にしたがっ
てパルス電流の電流値（パルス振幅）を変える構成とし
てある。

【００２７】すなわち、抵抗Ｒ３を変えながらパルス幅
と周波数とを変化させ、輝度を一定に保ちながら色温度
を変化させ、または、色温度を一定に保って輝度を変化
させ、色温度と輝度とを調整することができる。

【００２８】このときの発振周波数（ｆ）は下記の通り
である。 また、デュ−ティ比（Ｄ）は下記の通りである。

【００２９】このとき白色発光ダイオ−ド２３に流れる
平均電流値（Ｉ）は下記のように表わされる。 Ｖ_Ｆ： 白色発光ダイオ−ドの順電圧 Ｖ_ＢＥ：トランジスタＴ１のベ−ス〜エミッタ間電圧

【００３０】なお、上記した駆動回路はパルス発振回路
３１とトランジスタＴ１によってパルス電流を出力させ
る構成としたが、非安定マルチバイブレ−タやＣＲ発振
器を使用してトランジスタやオプアンプなどを制御する
構成とすることができる。つまり、白色発光ダイオ−ド
２３をパルス電流で駆動できる回路であればよい。

【００３１】図４、図５は、周波数を変化させて測定し
たときの色温度の変化を示す電流−色温度グラフであ
る。なお、パルス電流のデュ−ティ比は５０％である。
また、この測定では周波数Ｆ１＝５０Ｈｚ、Ｆ２＝１ｋ
Ｈｚ、Ｆ３＝１０ｋＨｚ、Ｆ４＝１００ｋＨｚについて
測定した。このグラフのように、色温度がパルス電流の
平均電流値に比例して変化することが分かる。

【００３２】図６は、パルス電流の平均電流値の相違に
よる色温度の測定値をＸＹ色温度座標上に表わしたグラ
フである。図示するように、電流値ごとにグル−プに分
かれ、色温度が電流に比例して変化することが明確とな
り、周波数によらないことが分かる。

【００３３】次に、デュ−ティ比と色温度の関係を測定
したグラフを図７に示す。この場合の測定条件は、周波
数１００ｋＨｚ、パルス電流の平均電流１０ｍＡとし、
パルス電流のデュ−ティ比を１０％、２５％、５０％、
１００％に変化させた。上記のように、平均電流を一定
とした場合、色温度がデュ−ティ比に比例する。

【００３４】このように放射輝度を一定としても色温度
が変化することから、比視感度の関係から輝度が変化す
ることになる。図８はその関係を示すグラフである。な
お、このグラフの横軸（Ｘ軸）は対数スケ−ルで表わし
てあり、輝度がデュ−ティ比に比例していることが分か
る。

【００３５】また、このグラフから分かる通り、輝度が
３５％程度変化しても問題なく、色温度に厳しい場合
は、電流一定としてデュ−ティ比によって色温度を調整
することができる。

【００３６】次に、輝度を一定化するようにしてパルス
電流の平均電流値、デュ−ティ比を変化させた場合の測
定結果を図９に示す。この場合、上記駆動回路の抵抗Ｒ
３により白色発光ダイオ−ド２３に対する電流値を変化
させ、輝度を一定に保つようにして色温度を変化させ
る。このときの測定条件は、周波数１００ｋＨｚであ
る。輝度を一定化し、デュ−ティ比を変化させると、電
流値に比例して色温度が変化する。

【００３７】また、この測定において変化させた平均電
流値を図１０に示す。図１０のグラフにおいて、平均電
流値はＸ軸が１／デュ−ティ比となっていることから、
この平均電流値は輝度一定の場合、デュ−ティ比に反比
例することになる。

【００３８】図１１は平均電流値と輝度の関係を示した
グラフである。このグラフから平均電流値と輝度は周波
数に依存しなく、電流のみに比例することが分かる。

【００３９】この結果、輝度Ｌは下記のように表わされ
る。 Ｌ＝ａＩ＋ｂ ａ： 比例定数 ｂ： 切片 Ｉ： 平均電流値

【００４０】また、色温度Ｔは次のように表わされる。 Ｔ＝ｍＩ／Ｄ＋ｎ ｍ： 比例定数 ｎ： 切片 Ｄ： デュ−ティ比

【００４１】以上の関係から、輝度を一定にして色温度
を調整し、また、色温度を一定にして輝度を調整するこ
とができる。また、色温度と輝度とを同時に調整するこ
とも可能である。

【００４２】図１２は、駆動回路の実施例を示した回路
図である。なお、この図において図３に示す回路部材と
同じものについては同符号が付してある。

【００４３】図示するように、この駆動回路は、パルス
発振回路３１の入力回路（Ｒ１、Ｒ２、Ｃ２）に増幅動
作用のトランジスタＴ２を設け、このトランジスタＴ２
を色温度の調整信号ＳＣによって制御する構成とすると
共に、白色発光ダイオ−ド２３の駆動電流路に増幅動作
用のトランジスタＴ３を設け、このトランジスタＴ３を
輝度調整信号ＳＯによって制御する構成としてある。

【００４４】色温度の調整信号ＳＣは、次のようにして
出力させる。つまり、白色発光ダイオ−ド２３の色温度
を測定し、その測定値に基づいて調整値を求め、この調
整値を色温度の調整値設定回路３２によって設定する。

【００４５】そして、設定回路３２より設定信号を入力
する調整信号出力回路３３が設定された調整値に応じて
調整信号ＳＣをトランジスタＴ２のベ−スに入力させ、
このトランジスタＴ２を色温度の調整にしたがって制御
する。

【００４６】この結果、パルス発振回路３１より出力さ
れるパルス信号が色温度の調整値を含んだパルス幅と周
波数となり、このパルス信号によってトランジスタＴ１
が制御され、白色発光ダイオ−ド２３の発光の色温度が
調整される。

【００４７】一方、輝度の調整信号ＳＯ１、ＳＯ２は、
次のようにして出力させる。すなわち、白色発光ダイオ
−ド２３の発光光を受光する受光器３４を設け、この受
光器３４の受光信号（光電変換信号）を輝度調整値の演
算回路３５に入力させて調整値を演算させる。

【００４８】演算回路３５は、予め定めた輝度予定値と
受光信号とから輝度の調整値を演算し、この演算信号を
調整信号出力回路３６に送る。これより、調整信号出力
回路３６が演算信号に応じた調整信号ＳＯ１をトランジ
スタＴ３のベ−スに入力させ、このトランジスタＴ３を
輝度の調整値にしたがって制御する。

【００４９】この結果、白色発光ダイオ−ド２３の駆動
電流が輝度の調整値にしたがって制御され、輝度の調整
が行なわれる。

【００５０】また、輝度調整値を手動設定する手動設定
回路３７が設けてある。この手動設定回路３７は任意の
輝度に設定するもので、この設定回路３７の設定信号が
調整信号出力回路３６に入力されると、この出力回路３
６が演算回路３５からの演算信号の入力を遮断し、手動
設定の設定信号にしたがって輝度の調整信号ＳＯ２を出
力する。この結果、白色発光ダイオ−ド２３の輝度が手
動設定によって調整される。

【００５１】したがって、この駆動回路によれば、調整
値設定回路３２によって設定した色温度の調整値にした
がうパルス幅と周波数のパルス信号がパルス発振回路３
１より出力されるから、このパルス信号によってトラン
ジスタＴ１が制御され、白色発光ダイオ−ド２３の色温
度が調整される。

【００５２】このように色温度を調整する場合、輝度の
調整値を手動設定回路３７によって設定し、輝度の調整
信号ＳＯ２によってトランジスタＴ３を制御することに
より、白色発光ダイオ−ド２３に流れるパルス電流（平
均電流）を一定化し、輝度の一定化を保って色温度の調
整を行なうことができる。

【００５３】また、調整値設定回路３２による調整設定
を一定にし、白色発光ダイオ−ドの色温度を一定化した
状態で、演算信号に基づく輝度の調整信号ＳＯ１或いは
手動設定に基づく輝度の調整信号ＳＯ２によりトランジ
スタＴ３を制御すれば、色温度の一定化を保ちながら輝
度調整することができる。

【００５４】なお、この駆動回路は、色温度の調整信号
ＳＣと輝度の調整信号ＳＯ１またはＳＯ２とを共に出力
させれば、色温度と輝度とを同時に調整することもでき
る。

【００５５】以上、本発明を拡散光源装置に実施した一
例について説明したが、本発明は拡散光源装置にかぎら
ず、一つの発光ダイオ−ドについても同様にして色温度
と輝度の調整を行なうことができ、また、複数の発光ダ
イオ−ドを一つの光源ユニットとして構成した場合に
も、各々の発光ダイオ−ドを駆動するパルス電流の平均
電流値及び／又はデュ−ティ比を変える構成として各発
光ダイオ−ドの色温度と輝度を調整することができる。

【００５６】また、本発明を実施するに際しては、Ｉｎ
ＧａＮの活性層をもつ青色発光の励起素子（ＬＥＤチッ
プ）と蛍光体の組み合わせ構成の白色発光ダイオ−ドに
かぎらず、ＩｎＧａＮ系の他の発光波長系、シリコンカ
−バイト系、ＧａＡｌＡｓ系、ＧａＡｓｐ系などの他の
化合物半導体を用いた励起素子と蛍光体によっても構成
することができる他、アップコンバ−ジョンを起こす材
料を用いた場合、複数の励起素子を組み合わせる場合で
あっても上記同様に実施することができる。

【００５７】

【発明の効果】上記した通り、本発明では、白色発光ダ
イオ−ドをパルス電流で駆動し、パルス電流の平均電流
値及び／又はデュ−ティ比を変化させて発光光の色温度
と輝度を調整する構成としたので、白色発光ダイオ−ド
を装置に組込んだ後においても色温度と輝度の調整が可
能になる他、同一装置に複数の白色発光ダイオ−ドを組
み込んだ場合においても各々の発光ダイオ−ドを調整す
ることができるから、装置の不良品を極力少なくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す拡散光源装置の正面
図である。

【図２】図１上のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】白色発光ダイオ−ドを駆動する回路例を示す図
である。

【図４】周波数を変化させて測定したときの色温度
（Ｘ）の関係を示すグラフである。

【図５】周波数を変化させて測定したときの色温度
（Ｙ）の関係を示すグラフである。

【図６】パルス電流の平均電流値の相違による色温度を
ＸＹ色温度座標上に表わした図である。

【図７】パルス電流のデュ−ティ比と色温度の関係を示
したグラフである。

【図８】パルス電流のデュ−ティ比と相対輝度の関係を
示したグラフである。

【図９】輝度を一定にするようにして駆動するパルス電
流のデュ−ティ比を変化した場合の色温度の変化を示す
グラフである。

【図１０】パルス電流の平均電流値がデュ−ティ比に反
比例することを示すグラフである。

【図１１】パルス電流の平均電流値と輝度の関係を示し
たグラフである。

【図１２】駆動回路の実施例を示す回路図である。

【図１３】青色発光の励起素子（ＬＥＤチップ）を示し
た構成図である。

【図１４】白色発光ダイオ−ドの正面図である。

【図１５】白色発光ダイオ−ドの側面図である。

【図１６】上記した白色発光ダイオ−ドの発光スペクト
ルを示す図である。

【図１７】白色発光ダイオ−ドの白色分布を色温度図上
に示した図である。

【図１８】駆動電流を変えることにより色温度が変化す
ることを示したグラフである。

【符号の説明】

２１ 導光板 ２２ ケ−ス ２３ 白色発光ダイオ−ド ２４ 拡散シ−ト ２５ 反射シ−ト ２６ 窓 ２７ カバ− ３１ パルス発振回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 青色光或いは紫外線光を発光する励起素
   子の発光光を蛍光体によって白色光に変えて放射する白
   色発光ダイオ−ドの駆動装置において、 パルス電流で駆動する駆動手段と、上記パルス電流の平
   均電流値及び／又はデュ−ティ比を変化させ、放射する
   光の色温度及び／又は輝度を調整する調整手段とを備え
   て構成したことを特徴とする白色発光ダイオ−ドの駆動
   装置。
2. 【請求項２】 発光色の異なる複数の励起素子の発光光
   を蛍光体によって白色光に変えて放射する白色発光ダイ
   オ−ドの駆動装置において、 パルス電流で駆動する駆動手段と、上記パルス電流の平
   均電流値及び／又はデュ−ティ比を変化させ、放射する
   光の色温度及び／又は輝度を調整する調整手段とを備え
   て構成したことを特徴とする白色発光ダイオ−ドの駆動
   装置。
3. 【請求項３】 請求項1または２に記載した駆動装置に
   おいて、 複数の白色発光ダイオ−ドを備えた一つのＬＥＤランプ
   を設けると共に、各々の白色発光ダイオ−ドをパルス電
   流で駆動する駆動手段と、上記パルス電流の平均電流値
   及び／又はデュ−ティ比を変化させ、放射する光の色温
   度及び／又は輝度を調整する調整手段とを備えて構成し
   たことを特徴とする白色発光ダイオ−ドの駆動装置。