(57)【要約】【課題】半導体発光素子のジャンクション温度を忠実に反映した電力制御により、半導体発光素子を良好な発光性能で且つ良好な信頼性で使用することが可能となる半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法を提供することにある。【解決手段】基板１上に実装された複数のＬＥＤ１〜１６のうち、基板の中央部の最も温度上昇が大きい領域に位置するＬＥＤ７のアノード及びカソード間の電位差（順電圧ＶＦ）を検出し、予め測定して把握されたＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘのときの順電圧ＶＦｍａｘと比較して、その比較結果に基づいてＬＥＤ１〜１６を駆動する電力を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子の駆動時に該半導体発光素子の駆動電力を制御することにより前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法であって、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧と、予め測定して把握された前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値のときの前記半導体発光素子の順電圧とを比較し、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧が前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値のときの順電圧となった時点で前記半導体発光素子の駆動電力を制御することにより熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにすることを特徴とする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法。
【請求項２】
前記駆動電力の制御はパルス電力のデユーティ比を変えることにより行われることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法。
【請求項３】
半導体発光素子の駆動時に該半導体発光素子の駆動電力を制御することにより前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法であって、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧から、予め測定して把握された前記半導体発光素子のジャンクション温度に対する順電圧に基づいて算出されたジャンクション温度と前記半導体発光素子のジャンクション温度の絶対最大定格値を比較し、前記半導体発光素子の駆動時のジャンクション温度が前記半導体発光素子のジャンクション温度の絶対最大定格値となった時点で前記半導体発光素子の駆動電力を制御することにより熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにすることを特徴とする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法。
【請求項４】
前記駆動電力の制御はパルス電力のデユーティ比を変えることにより行われることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法に関するものであり、詳しくは、熱平衡状態において半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないように半導体発光素子のジャンクション温度を制御する、半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子、例えばＬＥＤ素子（チップ）は周囲温度や駆動時の自己発熱により温度が上昇し、それにより発光性能が低下したり、劣化が促進されて寿命が短くなるといった素子特性を有している。そこで、ＬＥＤ素子を良好な発光性能で且つ良好な信頼性で使用するためには、ＬＥＤ素子を該ＬＥＤ素子のジャンクション温度の絶対最大定格値Ｔｊｍａｘを超えない範囲で駆動することが必要となる。
【０００３】
そのためには、ＬＥＤ素子の駆動時に直接ジャンクション温度Ｔｊを測定しながら該ジャンクション温度Ｔｊに基づいて駆動電力を制御する方法が考えられるが、ＬＥＤ素子は一般的に樹脂等の保護部材で覆われており、直接温度センサを取り付けることは難しい。
【０００４】
そこで、ＬＥＤ素子を内蔵したＬＥＤ装置（以下、ＬＥＤと略称する）に近接した位置に温度センサを配置してＬＥＤの周囲温度を検出し、検出した温度に基づいてＬＥＤに印加する電圧を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００７−３２４４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記提案された電圧制御方法は、温度センサにより検出された温度がＬＥＤの周囲温度であるために実際のＬＥＤ素子のジャンクション温度とは温度差が大きい。そのため、検出された温度に基づいて制御されるＬＥＤの印加電圧は精度が低いものとなってしまい、ＬＥＤ素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えるような駆動電力が印加されてＬＥＤ素子の劣化に繋がる可能性がある。
【０００６】
また、ＬＥＤ素子と温度センサでは時間に対する温度上昇の特性が異なる。そのため、特にＬＥＤ素子のジャンクション温度の温度変化の過渡期においては、温度センサで検出された温度が必ずしもＬＥＤ素子のジャンクション温度を反映したものとはいえず、上記同様、ＬＥＤ素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えるような駆動電力が印加されてＬＥＤ素子の劣化に繋がる可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、半導体発光素子のジャンクション温度を忠実に反映した電力制御により、半導体発光素子を良好な発光性能で且つ良好な信頼性で使用することが可能となる、半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、半導体発光素子の駆動時に該半導体発光素子の駆動電力を制御することにより前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法であって、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧と、予め測定して把握された前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値のときの前記半導体発光素子の順電圧とを比較し、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧が前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値のときの順電圧となった時点で前記半導体発光素子の駆動電力を制御することにより熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにすることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記駆動電力の制御はパルス電力のデユーティ比を変えることにより行われることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載された発明は、半導体発光素子の駆動時に該半導体発光素子の駆動電力を制御することにより前記半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにする半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法であって、前記半導体発光素子の駆動時の順電圧から、予め測定して把握された前記半導体発光素子のジャンクション温度に対する順電圧に基づいて算出されたジャンクション温度と前記半導体発光素子のジャンクション温度の絶対最大定格値を比較し、前記半導体発光素子の駆動時のジャンクション温度が前記半導体発光素子のジャンクション温度の絶対最大定格値となった時点で前記半導体発光素子の駆動電力を制御することにより熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにすることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項３において、前記駆動電力の制御はパルス電力のデユーティ比を変えることにより行われることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、半導体発光素子の順電圧の温度依存性に基づき、半導体発光素子の駆動時の順電圧と半導体発光素子のジャンクション温度が絶対最大定格値のときの順電圧とを比較し、その結果により熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにした。
【００１３】
また、同様に半導体発光素子の順電圧の温度依存性に基づき、半導体発光素子の駆動時の順電圧から算出されたジャンクション温度と半導体発光素子のジャンクション温度の絶対最大定格値を比較し、その結果により熱平衡状態において前記ジャンクション温度が絶対最大定格値を超えないようにした。
【００１４】
その結果、半導体発光素子のジャンクション温度を忠実に反映した電力制御により、半導体発光素子を良好な発光性能で且つ良好な信頼性で使用することが可能となる半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法を実現することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の好適な実施形態を図１〜図３を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。
【００１６】
本発明は、ＬＥＤの駆動時にＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘを超えないようにＬＥＤの駆動電力制御を行う方法であり、詳しくは、駆動時のＬＥＤのアノード−カソード間の電位差（順電圧ＶＦ）に基づいて駆動電力を制御する方法である。
【００１７】
その方法には二通りの方法があり、第一の方法は、予めＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘのときの順電圧ＶＦｍａｘを把握し、ＬＥＤの駆動時の順電圧ＶＦを、予め把握した順電圧ＶＦｍａｘと比較してＶＦがＶＦｍａｘを超えないようにＬＥＤの駆動電力を制御する方法である。
【００１８】
第二の方法は、予めＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊに対する順電圧ＶＦの温度特性を把握し、ＬＥＤの駆動時の順電圧ＶＦから、順電圧ＶＦの温度特性に基づいて算出されたジャンクション温度Ｔｊをジャンクション温度の絶対最大定格値Ｔｊｍａｘと比較してＴｊがＴｊｍａｘを超えないようにＬＥＤの駆動電力を制御する方法である。
【００１９】
まず、第一の電力制御方法について説明する。図１は第一及び第二の電力制御方法を実現する回路構成の一例である。複数のＬＥＤ１〜１６が基板１上に実装され、そのうちＬＥＤ１〜４、ＬＥＤ５〜８、ＬＥＤ９〜１２、ＬＥＤ１３〜１６の夫々が直列に接続されてＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４が形成されている。
【００２０】
各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４のアノード側は互いに接続されてＬＥＤ駆動回路２の定電流電源部３の出力端子に接続され、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４のカソード側は夫々個々にＬＥＤ駆動回路２の定電流電源部３の出力端子に接続されている。ＬＥＤ1〜１６のうち基板１の中央部の最も温度上昇が大きい領域に位置するＬＥＤ７のアノード及びカソードの夫々に一対の電圧検知用コード４が接続され、電圧検知用コード４の他端部が電圧変換器５の入力端子に接続されている。
【００２１】
電圧変換器５の出力端子はＣＰＵ６のＡ／Ｄポート７に接続され、Ａ／Ｄポート７から、同様にＣＰＵ６内に備えられたＡ／Ｄ変換部８、電圧比較部９、及び信号制御部１０に順次繋がっている。
【００２２】
ＣＰＵ６の信号制御部１０はＬＥＤ駆動回路２の定電流制御部１１に接続され、定電流制御部１１はＬＥＤ駆動回路２内で定電流電源部３に繋がっている。
【００２３】
このような回路構成において、ＬＥＤ駆動回路２の定電流電源部３が作動すると、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４に所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４が直流電流として通電される。このとき、ＬＥＤ７のアノード及びカソードの夫々の電位が一対の電圧検知用コード４を介して電圧変換器５に取り込まれ、ＬＥＤ７のアノード−カソード間の電位差（順電圧ＶＦ）に変換されてアナログ信号ＶＦＡとして出力される。
【００２４】
電圧変換器５から出力された、ＬＥＤ７の順電圧ＶＦＡはＣＰＵ６のＡ／Ｄポート７に入力され、該Ａ／Ｄポート７を介してＡ／Ｄ変換部８に送られる。Ａ／Ｄ変換部８ではアナログの順電圧ＶＦＡがデジタル化されて順電圧値ＶＦＤに変換され、電圧比較部９に送られる。
【００２５】
電圧比較部９には、予めＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘのときの順電圧ＶＦｍａｘＤが記憶されており、ＶＦｍａｘＤの値とＶＦＤの値を比較して、ＶＦｍａｘＤの値に対してＶＦＤの値が小さい（ＶＦｍａｘＤ＞ＶＦＤ）か、又は大きい（ＶＦｍａｘＤ＜ＶＦＤ）か、又は等しい（ＶＦｍａｘＤ＝ＶＦＤ）か、を判定する。
【００２６】
このとき、図２のタイムチャートの（ａ）（ジャンクション温度Ｔｊ−時間特性）に示すように、ＬＥＤ駆動回路２の定電源電流部３が作動開始してからＶＦｍａｘＤ＞ＶＦＤの間（０−ｔ１）は、（ｂ）（ＬＥＤ駆動電流−時間特性）に示すように、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４には所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４が直流電流として通電される。
【００２７】
そして、ＶＦｍａｘＤ＝ＶＦＤ又はＶＦｍａｘＤ＜ＶＦＤとなった時点（ｔ１）でＣＰＵ６の信号制御部１０からＬＥＤ駆動回路２の定電流制御部１１にパルス信号が送信され、定電流制御部１１及び定電流電源部３を介して（ｂ）（ＬＥＤ駆動電流−時間特性）に示すように、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４には所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４がパルス電流として通電される。
【００２８】
すると、直流電流を通電し続けた場合の、（ａ）の破線で表した温度上昇領域に対して直流電流に替えてパルス電流を通電することにより実線で表した温度Ｔ１に抑制される。以降、ＬＥＤ１〜１６及び基板１の熱容量に基づく熱平衡状態に至るまでの時間以上の時間間隔ｔｃでＬＥＤ７の順電圧ＶＦを検出（サンプリング）し、その都度パルス電流のデューティ比を下げることによりＬＥＤ駆動電力を低減してＬＥＤ１〜１６の発熱量を抑制する。
【００２９】
そして、ＬＥＤ７の検出時の順電圧値ＶＦＤが、予めＣＰＵ６に記憶された順電圧ＶＦｍａｘＤと等しくなったとき、そのときのパルス電流のテューティ比を維持することにより、ＬＥＤ１〜１６をＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊの絶対最大定格値Ｔｊｍａｘ近傍又はそれ以下で駆動することが可能となる。
【００３０】
このとき、ＬＥＤ１〜１６による輝度は、（ｃ）（輝度−時間特性）に示すように、電源投入時（ＬＥＤ駆動回路２の定電流電源部３の作動開始時）の過渡期には高いが、ＬＥＤの駆動電力が安定化するにつれて安定した状態を維持する。
【００３１】
なお、ＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘのときの順電圧ＶＦｍａｘの求め方は、基板１上に実装された全てのＬＥＤのうち最も最も温度上昇が大きい領域に位置するＬＥＤ（上記実施形態においてはＬＥＤ７）の、周囲温度を含めたジャンクション温度Ｔｊが電源投入時から絶対最大定格値Ｔｊｍａｘになるまでの時間を予め把握しておき、製品毎に電源投入時からその時間が経過したときの順電圧ＶＦを読み取ってＣＰＵに記憶させる。
【００３２】
次に、第二の電力制御方法について説明する。第二の電力制御方法を実現する回路構成についても、上記説明の図１に示した回路構成で対応できる。そのため、回路構成については説明を省略する
【００３３】
ＬＥＤ素子は、図３のように、順電流ＩＦをパラメータとすると、例えば、順電流ＩＦが３０ｍＡ、２０ｍＡ、１０ｍＡ、５ｍＡ、２ｍＡのときの順電圧ＶＦは、ＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊに対してａ〜ｅで示す温度特性を有している。
【００３４】
そこで、予め、図３に示す、ジャンクション温度Ｔｊ−順電圧ＶＦ特性に基づいて、ＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが常温（２５℃）のときの順電圧ＶＦＯのデジタル変換値ＶＦＯＤ、図３の順電圧ＶＦの温度特性から読み取れる温度係数ＴＣＶ（ｍＶ／℃）のデジタル変換値ＴＣＶＤ（ｍＶ／℃）、及びＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊの絶対最大定格値Ｔｊｍａｘ値のデジタル変換値ＴｊｍａｘＤをＣＰＵ６に記憶させる。
【００３５】
そこで、ＬＥＤ駆動回路が作動すると、該ＬＥＤ駆動回路を構成する定電流電源により各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４に所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４が直流電流として流れる。このとき、ＬＥＤ７のアノード−カソード間の電圧（順電圧ＶＦ）が、アノード及びカソードの夫々にコードを介して接続された電圧変換器の出力端子から出力され、ＣＰＵのＡ／Ｄポートにアナログ信号として入力される。
【００３６】
Ａ／Ｄポートには、アナログの順電圧ＶＦＡ値をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換部が設けられており、Ａ／Ｄ変換部でデジタル値に変換された順電圧ＶＦＤは、同様にＣＰＵに設けられた電圧比較部に送られる。
【００３７】
電圧比較部には、上述したように予め、ＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊが常温（２５℃）のときの順電圧ＶＦＯのデジタル変換値ＶＦＯＤ、図３の順電圧ＶＦの温度特性から読み取れる温度係数ＴＣＶ（ｍＶ／℃）のデジタル変換値ＴＣＶＤ（ｍＶ／℃）、及びＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊの絶対最大定格値Ｔｊｍａｘ値のデジタル変換値ＴｊｍａｘＤが記憶されており、Ａ／Ｄ変換部でデジタル値に変換された順電圧ＶＦＤから上記ＶＦＯＤ及びＴＣＶＤに基づいてそのときのＬＥＤ素子のジャンクション温度ＴｊＤを算出し、ＴｊｍａｘＤの値とＴｊＤの値を比較して、ＴｊｍａｘＤの値に対してＴｊＤの値が小さい（ＴｊｍａｘＤ＞ＴｊＤ）か、又は大きい（ＴｊｍａｘＤ＜ＴｊＤ）か、又は等しい（ＴｊｍａｘＤ＝ＴｊＤ）か、を判定する。
【００３８】
このとき、図２のタイムチャートの（ａ）（ジャンクション温度Ｔｊ−時間特性）に示すように、ＬＥＤ駆動回路２の定電源電流部３が作動開始してからＴｊｍａｘＤ＞ＴｊＤの間（０−ｔ１）は、（ｂ）（ＬＥＤ駆動電流−時間特性）に示すように、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４には所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４が直流電流として通電される。
【００３９】
そして、ＴｊｍａｘＤ＝ＴｊＤ又はＴｊｍａｘＤ＜ＴｊＤとなった時点（ｔ１）でＣＰＵ６の信号制御部１０からＬＥＤ駆動回路２の定電流制御部１１にパルス信号が送信され、定電流制御部１１及び定電流電源部３を介して（ｂ）（ＬＥＤ駆動電流−時間特性）に示すように、各ＬＥＤアレイＬ１〜Ｌ４には所定の定電流ＩＬ１〜ＩＬ４がパルス電流として通電される。
【００４０】
すると、直流電流を通電し続けた場合の、（ａ）の破線で表した温度上昇領域に対して直流電流に替えてパルス電流を通電することにより実線で表した温度Ｔ１に抑制される。以降、ＬＥＤ１〜１６及び基板１の熱容量に基づく温度飽和時間以上の時間間隔ｔｃでＬＥＤ７の順電圧ＶＦを検出（サンプリング）し、その都度パルス電流のデューティ比を下げることによりＬＥＤ駆動電力を低減してＬＥＤ１〜１６の発熱量を抑制する。
【００４１】
そして、ＬＥＤ７の検出時の順電圧値ＶＦから算出ジャンクション温度ＴｊＤが、予めＣＰＵ６に記憶されたジャンクション温度Ｔｊの絶対最大定格値ＴｊｍａｘＤと等しくなったとき、そのときのパルス電流のテューティ比を維持することにより、ＬＥＤ１〜１６をＬＥＤ素子のジャンクション温度Ｔｊの絶対最大定格値Ｔｊｍａｘ近傍又はそれ以下で駆動することが可能となる。
【００４２】
このとき、ＬＥＤ１〜１６による輝度は、（ｃ）（輝度−時間特性）に示すように、電源投入時（ＬＥＤ駆動回路２の定電流電源部３の作動開始時）の過渡期には高いが、ＬＥＤの駆動電力が安定化するにつれて安定した状態を維持する。
【００４３】
なお、ＬＥＤ個々の電流―電圧特性のばらつきは、出荷時の常温（２５℃）における順電圧ＶＦＤをＣＰＵに記憶させ、この２５℃のときの順電圧ＶＦを基準とする温度特性から読み取った温度係数ＴＣＶ（ｍＶ／℃）を基にしてＬＥＤのジャンクション温度ＴｊＤを算出する。
【００４４】
以上詳細に説明したように、本発明の、半導体発光素子のジャンクション温度の制御方法は、半導体発光素子のジャンクション温度を直接検出することなく、基板上に実装された全ての半導体発光素子のうち最も最も温度上昇が大きい領域に位置する半導体発光素子のジャンクション温度Ｔｊ−順電圧ＶＦ特性を正確に把握し、該ジャンクション温度Ｔｊ−順電圧ＶＦに基づいて算出された、ジャンクション温度Ｔｊが絶対最大定格値Ｔｊｍａｘのときの順電圧ＶＦｍａｘとＬＥＤの駆動時の順電圧ＶＦを比較してＶＦがＶＦｍａｘを超えないように半導体発光素子の駆動電力を制御するようにした。
【００４５】
また、同様に、基板上に実装された全ての半導体発光素子のうち最も最も温度上昇が大きい領域に位置する半導体発光素子のジャンクション温度Ｔｊ−順電圧ＶＦ特性を正確に把握し、半導体発光素子の駆動時の順電圧ＶＦから、該ジャンクション温度Ｔｊ−順電圧ＶＦに基づいて算出されたジャンクション温度Ｔｊをジャンクション温度の絶対最大定格値Ｔｊｍａｘと比較してＴｊがＴｊｍａｘを超えないように半導体発光素子の駆動電力を制御するようにした。
【００４６】
その結果、半導体発光素子のジャンクション温度を直接測定しなくても間接的にジャンクション温度が正確に検出され、ＬＥＤ素子のジャンクション温度を忠実に反映した電力制御により、半導体発光素子を良好な発光性能で且つ良好な信頼性で使用することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を実現する回路構成図である。
【図２】本発明に係るタイムチャートである。
【図３】ＬＥＤの順電圧の温度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１  基板
２  ＬＥＤ駆動回路
３  定電流電源部
４  電圧検知用コード
５  電圧変換器
６  ＣＰＵ
７  Ａ／Ｄポート
８  Ａ／Ｄ変換部
９  電圧比較部
１０  信号制御部
１１  定電流制御部
【図１】
2010056219.tif 000003
【図２】
2010056219.tif 000004
【図３】
2010056219.tif 000005